引言

強(qiáng)流重離子加速器裝置項(xiàng)目(high intensityheavyGion accelerator facility,HIAF)是國(guó)家“十二五”重大科學(xué)工程之一,裝置建成后,將提供高流強(qiáng)、高功率、高能量的束流用于原子核結(jié)構(gòu)、核聚變機(jī)制和原子物理學(xué)等方面的研究[1G4]。增強(qiáng)環(huán)(boosterring,BRing)是HIAF的主加速器設(shè)備,周長(zhǎng)為569.1m,共分布48臺(tái)快脈沖二極磁鐵。快速變化的磁場(chǎng)使真空管道產(chǎn)生渦流發(fā)熱,縮短了束流壽命[5]。真空管道采用陶瓷結(jié)構(gòu)或厚度為0.3mm的不銹鋼結(jié)構(gòu)是減少渦流發(fā)熱的重要方法[6G7]。中國(guó)散裂中子源同步加速器采用氧化鋁陶瓷真空管道[8G9],德國(guó)重離子研究中心SIS100采用厚度為0.3mm的不銹鋼薄壁加筋真空管道[10],通過(guò)運(yùn)行測(cè)試,兩種結(jié)構(gòu)均可有效降低渦流效應(yīng)。

但是,磁鐵的交變電流使陶瓷真空管道產(chǎn)生振動(dòng),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(yīng)、減小磁鐵氣隙及降低真空管道加工難度,本文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(shù)加工,材料選用比強(qiáng)度較高的TC4鈦合金。本文開(kāi)展鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),制作原理性樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)3D打印的TC4鈦合金樣機(jī)進(jìn)行真空性能研究。

1、薄壁腔體方案設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(zhǎng)度的鈦合金內(nèi)襯骨架,薄壁管和內(nèi)襯骨架通過(guò)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。

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(dòng)。內(nèi)襯骨架截面形狀為跑道型,11根筋均勻排列,通過(guò)上下側(cè)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(yīng),側(cè)面位置無(wú)固定拉桿。內(nèi)襯骨架上下面設(shè)置薄板結(jié)構(gòu),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(shù)加工,所用原材料為T(mén)C4粉末,粒徑為20~63μm,其加工工藝參數(shù)見(jiàn)表1,TC4鈦合金和316L不銹鋼特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表 1 TC4鈦合金內(nèi)襯骨架加工工藝參數(shù)

Tab.1 The parameters for SLM forming of TC4

掃描策略	Z型條紋掃描
激光功率/W	300
掃描速度/(mm·s⁻¹)	1100
掃描間距/mm	0.12
鋪粉厚度/mm	0.06

表 2 TC4 和 316L 材料在常溫工況下的特性

Tab.2 The main parameters of TC4 and 316L

參數(shù)	TC4	316L
抗拉強(qiáng)度/MPa	943	642
屈服強(qiáng)度/MPa	860	278
斷后伸長(zhǎng)率/%	18	58
斷面收縮率/%	54	75
彈性模量/GPa	105	200
泊松比	0.33	0.31

2、內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1　內(nèi)襯骨架參數(shù)分析

針對(duì)鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體,通過(guò)ANSYSWorkbench軟件靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊開(kāi)展內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度為205mm,結(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真過(guò)程中,為了提高計(jì)算效率,選擇一個(gè)鈦合金環(huán)單元。對(duì)鈦合金環(huán)兩端施加無(wú)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(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程主要考慮厚度t、寬度a和間距d變化時(shí)對(duì)不銹鋼應(yīng)力、鈦合金應(yīng)力和變形的影響。初步設(shè)定內(nèi)襯骨架的間距d為15mm,對(duì)不同厚度、不同寬度下薄壁腔體的應(yīng)力和變形進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。可以看出:①間距一定時(shí),不銹鋼和鈦合金的應(yīng)力隨著厚度、寬度的增大呈減小趨勢(shì);當(dāng)厚度增加至4mm后,寬度繼續(xù)增大時(shí)不銹鋼和鈦合金的應(yīng)力基本保持不變。厚度為4mm、寬度為11mm時(shí),不銹鋼和鈦合金的最大等效應(yīng)力分別為114MPa和192MPa,滿足強(qiáng)度要求。②薄壁腔體的變形隨著厚度的增大逐漸減小;同一厚度下,寬度越大,薄壁腔體的變形越小。當(dāng)厚度為4mm、寬度分別為8mm和11mm時(shí),變形為1.7mm和1.36mm,由此可以看出,內(nèi)襯骨架寬度的增加會(huì)減小薄壁腔體的變形。

為了保證不銹鋼和鈦合金應(yīng)力在強(qiáng)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(jié)構(gòu)。針對(duì)該結(jié)構(gòu),通過(guò)優(yōu)化間距來(lái)分析應(yīng)力和變形,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,同一厚度下,隨著間距的增加,不銹鋼和鈦合金應(yīng)力、薄壁腔體的變形快速增加。當(dāng)厚度為4mm、間距由15mm增加至20mm時(shí),不銹鋼的應(yīng)力增加了71MPa,變形增大了0.3mm,考慮到不銹鋼薄壁管應(yīng)力安全余量和變形量,優(yōu)選內(nèi)襯骨架的間距為15mm。

為了進(jìn)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(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,圖5給出了內(nèi)襯骨架上下面增加薄板和細(xì)絲結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真厚度為0.5mm和1mm的薄板結(jié)構(gòu)以及1mm×0.5mm和2mm×1mm的細(xì)絲結(jié)構(gòu),得到薄壁腔體變形結(jié)果,如圖6所示,可以看出,與細(xì)絲結(jié)構(gòu)相比,薄板結(jié)構(gòu)可有效減小薄壁腔體的變形量。但是對(duì)比厚度為0.5mm和1mm薄板結(jié)構(gòu)的變形量,結(jié)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(jié)構(gòu)能夠有效降低薄壁腔體變形,同時(shí)薄板結(jié)構(gòu)能夠降低束流阻抗[11]。

結(jié)合上述內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)的內(nèi)襯骨架,仿真計(jì)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,單邊變形量小于或等于1mm時(shí)可滿足要求,因此,內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)確定為拱形結(jié)構(gòu),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(shí)際變形量為0.86mm,滿足束流孔徑要求。

2.2　熱結(jié)構(gòu)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(biāo)真空度,烘烤過(guò)程中保證不銹鋼薄壁管的安全可靠是較為關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)熱結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算得到薄壁腔體在250℃和抽真空共同作用下的變形和不銹鋼應(yīng)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(yīng)力為135MPa,遠(yuǎn)低于不銹鋼316L的屈服強(qiáng)度極限,滿足強(qiáng)度要求。

2.3　薄壁腔體變形測(cè)試

為了評(píng)估3D打印鈦合金環(huán)抽真空狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形情況,在滿足薄壁腔體安全可靠性要求的前提下,制作了內(nèi)襯骨架寬度為8mm的無(wú)薄板結(jié)構(gòu)和薄板結(jié)構(gòu)及寬度為11mm的薄板結(jié)構(gòu),如圖8所示。通過(guò)三坐標(biāo)儀對(duì)抽真空后薄壁腔體的變形進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)試結(jié)果表明,寬度為8mm時(shí),無(wú)薄板和0.5mm薄板結(jié)構(gòu)的變形量分別為1.82mm和1.65mm,寬度為11mm薄板結(jié)構(gòu)的變形量為1.28mm,與仿真結(jié)果基本一致。

與此同時(shí),為了進(jìn)一步評(píng)估鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體在高溫烘烤時(shí)的安全可靠性,按照升溫、250℃保溫48h和降溫重復(fù)性過(guò)程,經(jīng)過(guò)35次抽真空和破空循環(huán)測(cè)試,薄壁管和鈦合金環(huán)均無(wú)屈服,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,滿足使用要求。

3、真空性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　TC4出氣性能試驗(yàn)

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[12]完成了出氣性能試驗(yàn)。

測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行超聲波清洗和500℃高溫除氣。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)出氣率裝置進(jìn)行250℃高溫烘烤及36h保溫。溫度降至常溫48h后對(duì)樣品進(jìn)行升溫,溫度依次從50℃升高至210℃,出氣率試驗(yàn)和擬合結(jié)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(guān)性較好,擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)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(shì)。當(dāng)溫度分別為50、110、210℃時(shí),TC4的出氣率分別為4.47×10^-11,8.06×10^-11、1.18×10^-9Pa.L/(s.cm²),證明采用3D打印工藝的TC4材料可滿足出氣性能要求。

為了評(píng)價(jià)TC4材料在不同溫度下出氣率試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和離散程度,完成了3組重復(fù)性測(cè)試,每次測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行超聲波清洗、高溫除氣及高溫烘烤。當(dāng)溫度分別為50、110、210℃時(shí),TC4出氣率標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.9×10^-12、1.53×10^-12和7.19×10^-11Pa.L/(s.cm²),表明出氣率測(cè)試結(jié)果具有較高的穩(wěn)定性。

3.2　高溫烘烤極限真空測(cè)試

薄壁腔體內(nèi)部極限真空的分布對(duì)束流品質(zhì)有重要影響,圖10為極限真空度測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖。

超高真空獲得設(shè)備由抽速為400L/s的分子泵機(jī)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(cè)量真空度,在兩端測(cè)試罩分別設(shè)置1個(gè)測(cè)量點(diǎn)(A和E),薄壁腔體外弧均布設(shè)置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)(B、C、D),用質(zhì)譜計(jì)QMG220測(cè)量氣體成分的變化。為了提高鈦合金內(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[13]對(duì)薄壁腔體鍍TiGZrGV薄膜。該薄膜是一種非蒸散型吸氣劑薄膜,高溫激活后對(duì)活性氣體氫氣具有較高的抽氣能力。薄膜厚度為2.3μm,抽速為0.4L/(s.cm²)。對(duì)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的變化,結(jié)果如圖11所示。可以看出,隨著烘烤溫度的升高,中間三個(gè)位置的壓力逐漸減小,但是當(dāng)烘烤溫度從250℃升高至300℃時(shí),同一測(cè)量位置的極限壓力基本一致。由此可以看出,為了達(dá)到目標(biāo)真空度,實(shí)際烘烤過(guò)程的溫度需為250℃;通過(guò)對(duì)比鍍膜前后極限真空度的變化,鍍膜后中間三個(gè)位置的真空度較鍍膜之前有明顯提高。鍍膜前C點(diǎn)的真空度為1.41×10^-9Pa,鍍膜后C點(diǎn)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?yàn)殄兡で氨”谇惑w內(nèi)部基底出氣量較大,由于薄壁腔體流導(dǎo)的限制,僅通過(guò)兩端的離子泵和鈦升華泵無(wú)法將薄壁腔體內(nèi)部的氣體全部抽出。當(dāng)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(xué)反應(yīng)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(jìn)一步降低,真空度得到了提升。

3.3　渦流發(fā)熱對(duì)真空性能的影響測(cè)試

快脈沖二極磁鐵磁場(chǎng)變化導(dǎo)致鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體中產(chǎn)生渦流損耗,該效應(yīng)會(huì)引起薄壁腔體溫度升高到96℃,采取通風(fēng)冷卻措施可使薄壁腔體的溫度維持在約56℃[14]。薄壁腔體溫度升高會(huì)導(dǎo)致真空度惡化[15],為研究渦流發(fā)熱效應(yīng)對(duì)薄壁腔體真空性能的影響,圖12給出了溫度為25、56、96℃時(shí)薄壁腔體鍍膜前后真空度的變化。結(jié)果表明,溫度升高時(shí),薄壁腔體壓力逐漸增大,當(dāng)溫度為56℃時(shí)C點(diǎn)的壓力為2.35×10^-9Pa,溫度為96℃時(shí)壓力升至5.16×10^-9Pa,壓力變化較為明顯。因此,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,需要采取冷卻措施對(duì)鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體進(jìn)行冷卻,以減小壓力,筆者所在課題組目前正在采取液氮冷卻形式對(duì)薄壁腔體進(jìn)行降溫研究。

4、結(jié)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(shí),不銹鋼和鈦合金的最大等效應(yīng)力分別為114MPa和192MPa,滿足強(qiáng)度要求。

2)鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體拱形0。5mm的實(shí)際變形量為0.78mm,該薄壁腔體經(jīng)過(guò)250℃及48h高溫烘烤35次后,薄壁腔體無(wú)變型破壞,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3)溫度為50℃時(shí),TC4的出氣率為4.47×10^-11Pa.L/(s.cm²);常溫工況下,薄壁腔體鍍TiGZrGV薄膜后中間位置的極限真空度從1.41×10^-9Pa提高至8.8×10^-10Pa,鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體真空性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),可為同類(lèi)薄壁腔體的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介:焦紀(jì)強(qiáng),男,1990年生,博士研究生.研究方向?yàn)楦叨苏婵赵O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.蒙峻∗ (通信作者),男,1977年生,正高級(jí)工程師、博士研究生導(dǎo)師.研究方向?yàn)榇笮驼婵障到y(tǒng)研發(fā)、極高真空獲得技術(shù).EGmail:mengjun＠impcas.ac.cn.

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tag標(biāo)簽:鈦合金

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