250 MeV回旋加速器主磁鐵系統(tǒng)用DT4鍛件制造技術(shù)研究

李昌義 胡振志 王鵬飛 蘇文博

(1.河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471000；2.洛陽中重鑄鍛有限責任公司，河南 洛陽 471000)

癌癥是全球性的主要死亡原因，據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，約50%～70%的腫瘤需要放療，其中17.8%常規(guī)放療無效的患者，采用質(zhì)子放療可有效治愈。質(zhì)子放療作為目前世界上最先進的新型治療腫瘤方法之一，具有治療精度高、治療效果好、患者恢復(fù)快、毒副作用小、胖散射少等特點，受到廣大腫瘤醫(yī)療工作者和患者的歡迎[1]。隨著質(zhì)子治療相關(guān)技術(shù)不斷成熟，質(zhì)子治療逐漸向精準治療方向升級，在此背景下，市場對質(zhì)子治療設(shè)備有了更高的要求，推動質(zhì)子治療設(shè)備不斷向小型化、智能化、低成本等方向升級。

全球質(zhì)子治療設(shè)備核心技術(shù)主要掌握在美國、日本、比利時等國家的企業(yè)中，為實現(xiàn)質(zhì)子治療設(shè)備自主生產(chǎn)能力，我國多家研究院都在積極研究開發(fā)質(zhì)子治療設(shè)備，2021年成功實現(xiàn)200 MeV穩(wěn)定質(zhì)子束流從治療室引出，這標志著國產(chǎn)緊湊型超導(dǎo)回旋質(zhì)子治療系統(tǒng)研制成功[1]。

質(zhì)子放療系統(tǒng)分回旋加速器和同步加速器兩種類型，質(zhì)子的精準控制取決于加速器、束流傳遞、旋轉(zhuǎn)機架等技術(shù)，其中加速器是放療系統(tǒng)的源頭。由于回旋加速器在設(shè)備體積、穩(wěn)定可靠、運行成本等方面的優(yōu)勢，目前全世界近70%的質(zhì)子治療加速器都是回旋加速器[2]。

1 回旋加速器原理

質(zhì)子治療裝置包括醫(yī)用回旋加速器系統(tǒng)和治療室兩大部分，回旋加速器系統(tǒng)由加速器、能量選擇系統(tǒng)和束流輸送線3個部分組成，用于產(chǎn)生質(zhì)子并將其加速到設(shè)定能量的裝置，包括了真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、主磁鐵系統(tǒng)、離子源、高頻系統(tǒng)等；治療室用來將得到的束流作用于患者進行治療。

主磁鐵系統(tǒng)是回旋加速器的關(guān)鍵部件，產(chǎn)生滿足束流動力學要求的磁場分布，其工作原理為：加速離子的最終能量決定回旋加速器主磁鐵的磁極半徑及平均磁場大小，要求從中心區(qū)到外半徑的磁場分布能保持被加速質(zhì)子的回旋頻率與高頻頻率同步，即等時性磁場要求；磁場沿方向角的變化對旋轉(zhuǎn)的束流提供聚焦力，同時嚴格控制磁場的諧波分量大小，避免諧波驅(qū)動的有害耦合共振，避免質(zhì)子從加速器中心平面發(fā)散而導(dǎo)致束流損失[3]。

2 主磁鐵系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

回旋加速器的主磁鐵通常分為上下磁極、上下蓋板和上下磁軛，其核心部件為磁極和磁軛，生產(chǎn)制造包括鍛件毛坯DT4材料冶煉、熱加工和主磁鐵精加工、裝配。強流質(zhì)子回旋加速器主磁鐵系統(tǒng)見圖1。

圖1 強流質(zhì)子回旋加速器主磁鐵系統(tǒng)Figure 1 Main magnet system of high currentproton cyclotron

2.1 化學成分

DT4材料化學成分要求見表1。磁極、磁軛鍛件不同部位元素含量(至少在相同半徑上)的一致性和均勻性控制極其嚴格，每件磁極化學成分取5根?50 mm×160 mm棒料，在每根棒料上取2個樣品進行化學成分檢測分析，對10個取樣區(qū)域的碳含量進行比較，要求偏差不超過0.01%。每件磁軛化學成分取8根?50 mm×160 mm棒料，8個取樣區(qū)域碳含量偏差不超過0.01%。

表1 DT4材料化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition requirementsof DT4 materials(mass fraction,%)

2.2 超聲檢測

磁極、磁軛鍛件超聲檢測按照GB/T 6402標準執(zhí)行，磁軛起始靈敏度?4 mm，最大缺陷當量不大于?8 mm，驗收級別3級。磁極鍛件進行分區(qū)無損檢測：區(qū)域A(0～350 mm)起始靈敏度?4 mm，最大缺陷當量不大于?8 mm，驗收級別3級；區(qū)域B(350～825 mm)起始靈敏度?2 mm，最大缺陷當量不大于?4 mm，驗收級別2級。

2.3 磁感應(yīng)強度

保證主磁鐵磁場等時性，在材料的B-H曲線(磁感應(yīng)強度-磁場強度)中，磁場強度H=3500 A/m，磁感應(yīng)強度B不低于1.8 T。

2.4 加工制造要求

主磁鐵精加工后要求螺旋形扇葉之間、上下磁極與上下磁軛部件之間的對稱性與一致性。

3 主磁鐵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及難點

主磁鐵系統(tǒng)制造主要選材DT4純鐵，開發(fā)初期基本上采用砂型鑄造成型方案。由于鑄件固有的屬性，存在材料冶金缺陷多、制造周期長、焊接工作量較大等問題，現(xiàn)在主要采用鋼錠冶煉—鍛造成形方案。鑄態(tài)組織經(jīng)鍛造變形后，由于金屬的變形和再結(jié)晶，使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實和焊合，組織變得更加緊密，提高金屬的塑性和力學性能[4]。

目前，由于國內(nèi)缺乏相關(guān)材料生產(chǎn)經(jīng)驗，多臺大型的回旋加速器主磁鐵制造存在問題突出，影響加速器總體性能，主要難點：

(1)不同位置取樣B-H曲線均勻性要求嚴格，化學成分控制苛刻。碳含量要求≤0.02%，冶煉過程導(dǎo)致鋼水碳含量增加因素較多；Al元素回收率極不穩(wěn)定，成分控制難度大；VOD后需返回LF提溫，易導(dǎo)致鋼水碳含量增加。

(2)不同程度的偏析難于控制。磁極、磁軛鍛件需要采用百噸級鋼錠鍛制，鋼錠越大，凝固偏析的程度越嚴重。

(3)鍛造極易開裂，操作控制難度大。DT4純鐵材質(zhì)存在由γ-Fe向α-Fe轉(zhuǎn)變的兩相過渡區(qū)，在兩相區(qū)間鍛造極易開裂，溫度控制尤為關(guān)鍵。

(4)易產(chǎn)生外露夾渣缺陷。鋼水Al含量較高，冶煉過程Si含量不易控制，Al極易氧化，且Al2O3粒徑細小，不易上浮，影響鋼水純凈度。

(5)晶粒度控制難度大。為提高磁性能，晶粒越大越好，但晶粒過于粗大無法準確進行超聲檢測。

(6)精確控制尺寸難度大。純鐵材質(zhì)特性，加工過程中進刀量和進給速度控制難度大，加工過程中極易出現(xiàn)無法控制的尺寸超差。

4 磁極、磁軛鍛件制造工藝方案

磁極、磁軛鍛件主要生產(chǎn)工藝流程為：EBT初煉→LF爐外精煉→真空處理(VOD-VCD-VD)→返LF爐提溫→VC真空澆注→熱送鋼錠→鋼錠加熱→油壓機鍛造→空冷→粗加工→超聲檢測→磁性能退火→半精加工→超聲檢測→取樣測試→精加工→最終檢測→試裝→成品交貨。

4.1 鋼水冶煉

電爐配料采用鋼板料和優(yōu)質(zhì)生鐵，以滿足殘余元素的技術(shù)要求；進入精煉后，采用C粉+SiAlCaBa粉脫氧，精煉過程造好還原渣，脫氧劑分批次加入；VOD過程控制供氧流量、壓力及真空度，破空后取樣分析滿足wC≤0.01%，加入Al塊調(diào)整鋼水Al含量和石灰造渣，并進行真空處理；返回LF提溫前清掃精煉工位，檢查電極，避免提溫過程增碳；真空澆注前吹掃澆注系統(tǒng)，避免外來夾雜物進入鋼液，開始澆注真空度滿足66.7 Pa以下，澆注前期及后期上冒口后適當控流，保證鋼水澆注溫度及注速[5]。

4.2 油壓機鍛造

4.2.1 鋼錠加熱

為達到鋼錠加熱均勻和心部燒透目的，根據(jù)錠型尺寸和材質(zhì)特點確定各階段加熱升溫速率、保溫時間及加熱溫度。同時，為做到溫度控制與變形量的最佳匹配，采用不同溫控區(qū)間的加熱制度：主變形階段采用高溫強壓法，充分焊合內(nèi)部鑄態(tài)缺陷；出成品階段采用低溫鍛造，控制晶粒長大。

4.2.2 油壓機鍛造

結(jié)合主磁鐵系統(tǒng)DT4材質(zhì)特點和使用要求，晶粒度越大、磁性能越好，同時為了焊合內(nèi)部鑄態(tài)缺陷，便于后續(xù)超聲檢測，在高溫區(qū)間采用大進砧量和大壓下量控制法，充分焊合心部鑄態(tài)缺陷，采用的鍛造工藝路線為：鋼錠脫?！鸁崴汀訜帷鷫恒Q口→高溫區(qū)間WHF鐓拔、下料→鐓粗、沖孔、擴孔(鐓粗、旋壓)→低溫區(qū)間出成品。

4.3 磁性能退火

DT4電磁純鐵屬于本質(zhì)粗晶粒鋼，晶粒粗化的主要影響因素是成分組成、加工工藝和熱處理工藝，且三個因素共同影響。當純鐵成分和熱加工工藝一定時，晶粒大小與磁性熱處理溫度和保溫時間有關(guān)，其中熱處理溫度的影響更敏感，退火溫度越高，晶粒越粗大，對磁性能越有利，所以實際退火中采用不發(fā)生α→γ相變的最高溫度，避免加熱及冷卻時組織發(fā)生相變使晶粒細化[6]。結(jié)合工藝試驗和生產(chǎn)實際，確定退火工藝溫度為950～985℃，達到磁性能最優(yōu)目標[7-8]。

5 產(chǎn)品檢驗

該主磁鐵系統(tǒng)磁極、磁軛鍛件經(jīng)加工后超聲檢測均未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，符合標準要求。成品化學成分見表2，高低場區(qū)磁性能檢驗結(jié)果見表3。

表2 成品化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Chemical composition of finished product(mass fraction, %)

表3 高低場區(qū)磁性能檢驗結(jié)果Table 3 Test results of magnetic propertiesin high and low fields

6 結(jié)語

250 MeV回旋加速器主磁鐵系統(tǒng)技術(shù)要求高，關(guān)鍵磁極、磁軛鍛件成分、超聲檢測及磁性能要求苛刻，需要制定合理的冶煉工藝、鍛造工藝和可靠的磁性能退火工藝。該批主磁鐵系統(tǒng)鍛件的成功研制，為國家重大醫(yī)療裝備國產(chǎn)化提供了充分技術(shù)支持，也為后期不同規(guī)格的加速器關(guān)鍵鍛件制造提供了技術(shù)積累。