鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體結構設計與性能研究

引言

正在建設的強流重離子加速器裝置（High Intensityheavy-ion Accelerator Facility，HIAF）是國家“十二五”重大科學工程之一，將提供高流強、高功率、高能量的束流用于原子核結構、核聚變機制和原子物理學等方面的研究。增強環(huán)（Booster Ring，BRing）是HIAF的主加速器設備，周長為569.1m，共分布48臺快脈沖二極磁鐵。快速變化的磁場使真空管道產(chǎn)生渦流發(fā)熱，縮短束流壽命。真空管道采用陶瓷結構或厚度為0.3mm的不銹鋼結構是降低渦流發(fā)熱的重要方法。 

中國散裂中子源同步加速器采用氧化鋁陶瓷真空管道，德國重離子研究中心SIS100采用厚度為0.3mm不銹鋼薄壁加筋真空管道，通過運行測試兩種結構均可有效降低渦流效應。但磁鐵的交變電流使陶瓷真空管道產(chǎn)生振動，易斷裂破壞。薄壁加筋真空管道占用磁鐵氣隙大、加工難度大、制造成本高。為了降低渦流效應、減小磁鐵氣隙及降低真空管道加工難度，首次提出采用厚度為0.3mm的不銹鋼包裹內(nèi)襯骨架制作薄壁腔體，內(nèi)襯骨架采用3D打印方法中的選擇性激光熔化技術加工，材料選用比強度較高的TC4鈦合金。本文開展鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體內(nèi)襯骨架結構優(yōu)化設計，制作原理性樣機進行試驗驗證，對3D打印的TC4鈦合金樣機進行真空性能研究。 

1、薄壁腔體方案設計

鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體由316L不銹鋼薄壁管、TC4鈦合金內(nèi)襯骨架和超高真空法蘭組成，結構如圖1所示。薄壁管由上薄壁管和下薄壁管兩部分組成，上、下薄壁管內(nèi)部包裹等長度的鈦合金內(nèi)襯骨架，薄壁管和內(nèi)襯骨架通過緊固模具保證兩者貼合，最后完成上、下薄壁管的焊接及超高真空法蘭的焊接。

圖1鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體結構示意圖

薄壁管的厚度為0.3mm，上下面等間距分布深度為0.7mm的定位壓痕以防止內(nèi)襯骨架沿著縱向移動。內(nèi)襯骨架截面形狀為跑道型，11根筋均勻排列，通過上下側的拉桿固定11根筋，形成穩(wěn)定的內(nèi)襯骨架，考慮到渦流損耗發(fā)熱效應，側面位置無固定拉桿。內(nèi)襯骨架上下面設置薄板結構，筋的內(nèi)表面與薄板內(nèi)表面平齊。考慮制造成本和加工周期，內(nèi)襯骨架采用3D打印方法中的選擇性激光熔化技術加工，所用原材料為TC4粉末，粒徑為20～63um，其加工工藝參數(shù)如表1所示，TC4鈦合金和316L不銹鋼特性參數(shù)如表2所示。

表1TC4鈦合金內(nèi)襯骨架加工工藝參數(shù)

表2TC4和316L材料在常溫工況下特性

2、內(nèi)襯骨架結構仿真分析

2.1內(nèi)襯骨架參數(shù)分析 針對鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體，通過ANSYS Workbench軟件靜態(tài)結構分析模塊開展內(nèi)襯骨架結構仿真。根據(jù)孔徑要求，內(nèi)襯骨架截面尺寸為208mm?87.4mm，考慮3D打印工藝要求，內(nèi)襯骨架長度為205mm，結構如圖2所示。仿真過程中，為了提高計算效率，選擇一個鈦合金環(huán)單元。對鈦合金環(huán)兩端施加無摩擦約束，不銹鋼薄壁管外表面施加0.1MPa的壓力，鈦合金環(huán)和不銹鋼之間的接觸形式為摩擦接觸。結構優(yōu)化過程主要考慮厚度t、寬度a和間距d變化時對不銹鋼應力、鈦合金應力和變形的影響。

圖2內(nèi)襯骨架結構示意圖

初步設定內(nèi)襯骨架的間距d為15mm，對不同厚度、不同寬度下薄壁腔體的應力和變形進行仿真計算，結果如圖3所示。從圖3可以看出，（1）間距一定時，不銹鋼和鈦合金的應力隨著厚度、寬度的增加呈減小趨勢；當厚度增加至4mm后，寬度繼續(xù)增加時不銹鋼和鈦合金的應力基本保持不變。厚度為4mm、寬度為11mm時，不銹鋼和鈦合金的最大等效應力分別為114MPa和192MPa，滿足強度要求。（2）薄壁腔體的變形隨著厚度的增加逐漸減?。煌缓穸认?，寬度越大薄壁腔體的變形越小。當厚度為4mm，寬度分別為8mm和11mm時變形為1.7mm和1.36mm，由此可以看出，內(nèi)襯骨架的寬度增加會減小薄壁腔體的變形。

圖3不同厚度、寬度下薄壁腔體的應力和變形

為了保證不銹鋼和鈦合金應力在強度極限范圍以及薄壁腔體變形要求，考慮磁鐵氣隙、內(nèi)襯骨架打印難度、烘烤套安裝空間及薄壁腔體輕量化，選擇厚度為4mm、寬度為11mm的內(nèi)襯骨架結構。針對該結構，通過優(yōu)化間距來分析應力和變形，結果如圖4所示。由圖可知，同一厚度下，隨著間距增加，不銹鋼和鈦合金應力、薄壁腔體的變形快速增加。當厚度為4mm、間距由15mm增加至20mm時，不銹鋼的應力增加了71MPa，變形增大了0.3mm，考慮到不銹鋼薄壁管應力安全余量和變形量，優(yōu)選內(nèi)襯骨架的間距為15mm。

圖4不同厚度、間距下薄壁腔體的應力和變形

為了進一步減小鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體的變形，提高內(nèi)襯骨架的強度和結構穩(wěn)定性，圖5給出了內(nèi)襯骨架上、下面增加薄板和細絲結構。通過仿真厚度為0.5mm和1mm的薄板結構以及1mm×0.5mm和2mm×1mm的細絲結構，得出薄壁腔體變形結果如圖6所示，從圖可以看出，與細絲結構相比，薄板結構可有效減小薄壁腔體的變形量。但是通過對比厚度為0.5mm和1mm薄板結構的變形量，結果基本一致，從內(nèi)襯骨架輕量化和3D打印難易程度考慮，采用厚度為0.5mm的薄板結構，能夠有效降低薄壁腔體變形，同時薄板結構能夠降低束流阻抗。

圖5內(nèi)襯骨架薄板和細絲結構示意圖

圖6內(nèi)襯骨架薄板結構變形結果

結合上述內(nèi)襯骨架結構參數(shù)優(yōu)化結果，鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體選用厚度為4mm、寬度為11mm和間距為15mm帶有薄板結構的內(nèi)襯骨架，仿真計算抽真空狀態(tài)下的單邊變形量為1.36mm。根據(jù)束流孔徑要求，單邊變形量小于等于1mm時可滿足要求。因此內(nèi)襯骨架結構確定為拱形結構，拱形高度為0.5mm，內(nèi)襯骨架的高度由87.4mm變?yōu)?8.4mm，抽真空后實際變形量為0.86mm，滿足束流孔徑要求。 

2.2熱-結構耦合分析 鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體需要承受250℃在線高溫烘烤以獲得目標真空度，烘烤過程中不銹鋼薄壁管的安全可靠是較為關鍵的問題。通過熱-結構仿真計算得出了薄壁腔體在250℃和抽真空共同作用下的變形和不銹鋼應力如圖7所示。由圖7可知，薄壁腔體單邊最大變形為1.65mm，比常溫工況變形增加了約0.29mm；不銹鋼應力為35MPa，遠低于不銹鋼316L的屈服強度極限，滿足強度要求。

圖7熱-結構耦合作用下薄壁腔體變形和應力結果

2.3薄壁腔體變形測試 為了評估3D打印鈦合金環(huán)在抽真空狀態(tài)下結構穩(wěn)定性和變形情況，滿足薄壁腔體安全可靠性要求，制作了內(nèi)襯骨架寬度為8mm的無薄板結構和薄板結構及寬度為11mm的薄板結構，如圖8所示。通過三坐標儀對抽真空后薄壁腔體的變形進行了測量，測試結果表明，寬度為8mm時，無薄板和0.5mm薄板結構的變形量分別為1.82mm和1.65mm，寬度為11mm薄板結構的變形量為1.28mm，與仿真結果基本一致。與此同時，為了進一步評估鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體在高溫烘烤時的安全可靠性，按照升溫、250℃保溫24h和降溫重復性過程，經(jīng)過35次抽真空和破空循環(huán)測試，薄壁管和鈦合金環(huán)均無屈服，結構穩(wěn)定可靠，滿足使用要求。

（a）寬度8mm無薄板結構

（b）寬度8mm薄板結構

（c）寬度11mm薄板結構

3、真空性能試驗結果分析

3.1TC4出氣性能試驗 為了探究3D打印的TC4材料在真空條件下的出氣特性，基于新型雙通道出氣率裝置[13]完成了出氣性能試驗。測試前對樣品進行超聲波清洗和500℃高溫除氣。試驗過程中對出氣率裝置進行250℃高溫烘烤及36h保溫。溫度降至常溫48h后對樣品進行升溫，溫度依次從50℃升高至210℃，出氣率試驗和擬合結果如圖9所示，回歸系數(shù)R2為0.99986，自變量和因變量之間的相關性較好，擬合結果與試驗結果較吻合。由圖9可以看出，隨著溫度的升高，TC4出氣率呈指數(shù)增加趨勢。當溫度分別為50℃、110℃和210℃時，TC4的出氣率分別為4.47×10^-11Pa.l/s.cm²、8.06×10^-11Pa.l/s.cm²和1.18×10^-9Pa.l/s.cm²，表明采用3D打印工藝的TC4材料滿足出氣性能要求。

圖9不同溫度下TC4出氣率試驗結果

為了評價TC4材料在不同溫度下出氣率試驗結果的重復性和離散程度，完成了3組重復性測試，每次測試前對樣品進行超聲波清洗、高溫除氣及高溫烘烤。當溫度分別為50℃、110℃和210℃時，標準差分別為1.9×10^-12、1.53×10^-12和7.19×10^-11，表明出氣率測試結果具有較高的穩(wěn)定性。 

3.2高溫烘烤極限真空測試薄壁腔體內(nèi)部極限真空的分布對束流品質(zhì)有重要影響，圖10給出了極限真空度測試結構示意圖。超高真空獲得設備由抽速為400l/s的分子泵機組、抽速為360l/s的離子泵和抽速為3000l/s的鈦升華泵組成。采用IE514測量真空度，在兩端測試罩分別設置1個測量點（A和E），薄壁腔體外弧均布設置3個測量點（B、C、D），質(zhì)譜計QMG220測量氣體成分變化。為了提升鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體真空度、降低內(nèi)部壓力梯度，采用彎弧磁控濺射鍍膜裝置對薄壁腔體鍍Ti-Zr-V薄膜。該薄膜是一種非蒸散型吸氣劑薄膜，高溫激活后對活性氣體氫氣具有較高的抽氣能力。薄膜厚度為2.3um，抽速為0.4l/s.cm²。

圖10極限真空度測試結構示意圖

對比不同烘烤溫度下未鍍膜的極限真空度和鍍膜后極限真空度變化，結果如圖11所示。從圖可以看出，隨著烘烤溫度的升高，中間三個位置的壓力逐漸降低；但是當烘烤溫度從250℃升高至300℃時，同一測量位置的極限壓力基本一致。

圖11極限真空測試結果

由此可以看出，為了達到目標真空度，實際烘烤過程的溫度需在250℃；通過對比鍍膜前后極限真空度的變化，鍍膜后中間三個位置的真空度較鍍膜之前有明顯提升。鍍膜前C點的真空度為1.41×10^-9Pa，鍍膜后C點的真空度約為8.8×10^-10Pa，鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體鍍膜后有效改善了腔體內(nèi)部的壓力梯度。這主要是因為鍍膜前薄壁腔體內(nèi)部基底出氣量較大，由于薄壁腔體流導的限制，僅通過兩端的離子泵和鈦升華泵無法將薄壁腔體內(nèi)部的氣體全部抽出。當薄壁腔體鍍膜且高溫激活后，吸氣劑薄膜主要與活性氣體氫氣發(fā)生化學反應并吸附到薄膜表面，將薄壁腔體內(nèi)部的放氣源變成抽氣表面，氫氣的濃度進一步降低，真空度得到了提升。3.3渦流發(fā)熱對真空性能的影響測試快脈沖二極磁鐵磁場變化導致鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體中產(chǎn)生渦流損耗，該效應會引起薄壁腔體溫度升高到96℃，采取通風冷卻措施可使薄壁腔體的溫度維持在約56℃。薄壁腔體溫度升高會導致真空度惡化，為研究渦流發(fā)熱效應對薄壁腔體真空性能的影響，圖12給出了溫度為25℃、56℃和96℃時薄壁腔體鍍膜前后的真空度變化結果。結果表明，溫度升高時，薄壁腔體壓力逐漸增加，當溫度為56℃時C點的壓力為2.35×10^-9Pa，溫度為96℃時壓力升高至5.16×10^-9Pa，壓力變化較為明顯。因此，在實際運行過程中，需要采取冷卻措施對鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體進行冷卻，以降低壓力，課題組目前正在開展采取液氮冷卻形式對薄壁腔體進行降溫研究。

圖12不同溫度下薄壁腔體壓力分布

4、結論

（1）內(nèi)襯骨架厚度為4mm、寬度為11mm、間距為15mm及拱形高度為0.5mm時，不銹鋼和鈦合金的最大等效應力分別為114MPa和192MPa，滿足強度要求。 

（2）鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體拱形0.5mm的實際變形量為0.78mm，該薄壁腔體經(jīng)過250℃及48h高溫烘烤35次后，薄壁腔體無變型破壞、結構穩(wěn)定。 

（3）溫度為50℃時TC4的出氣率為4.47×10^-11Pa.l/s.cm²；常溫工況下，薄壁腔體鍍Ti-Zr-V薄膜后中間位置的極限真空從1.41×10^-9Pa提升至8.8×10^-10Pa，鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體真空性能優(yōu)于設計指標，可為同類薄壁腔體的應用提供相關經(jīng)驗。