ITER內部ELM線圈導體殘余應力的分析與改善

李向賓，金 環

（1.中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031；2.中國國際核聚變能源計劃執行中心，北京100038）

在核聚變堆的堆芯等離子體邊緣有一種危險的磁流體擾動模式，稱為邊緣局部模（ELM）。這種磁流體模式除了引起等離子體約束性能變差之外，其瞬態“高能量流”還會導致真空室（核反應器）第一壁（FW）局部燒蝕或消融，從而使真空室的包容（核燃料）功能失效。為有效控制邊界局域模，減小邊界局域模對真空室第一器的破壞，國際熱核聚變堆（ITER）真空室第一壁后面將嵌入一組ELM線圈，對邊界局域模進行主動控制。由于ELM線圈安放在真空室內部，又稱為真空室內部線圈（Invessel Coil），這種特殊的服役環境（中子輻照和等離子體熱輻射雙重影響），要求ELM線圈具有較高的機械性能。ITER裝置ELM線圈原型樣件由中方研制，本文介紹研究團隊為提高線圈機械性能、改善加工過程中殘余應力而采用的工藝方法。

殘余應力是一種內應力，是指產生應力的各種因素不復存在時（如外加載荷去除、加工完成、溫度已均勻、相變過程終止等），由于形變、體積變化不均而殘留在構件內部并自身保持平衡的應力［1］。殘余應力對材料的疲勞強度、靜強度等均有重大影響，例如材料表面的拉應力能引起疲勞裂紋的形成和擴展；相反，若表面存在壓應力，則將能延緩或抑制這種擴展。確定殘余應力的大小，調整殘余應力的分布，對減少和消除殘余應力對工程的危害具有重要的意義［5］。

ITER裝置邊界局域模（ELM）線圈主要由外部鎧甲（Inconel 625）、氧化鎂絕緣材料及內部銅導體（CuCrZr）三部分組成［2］。ELM線圈預計累計承受輻照量將達3 000MGy，最高承受溫度400℃［2］，因此要求其具有較高的機械性能。在ELM線圈的加工制造過程中，導體成型工藝和線圈繞制工藝將對線圈外部鎧甲及內部銅導體殘余應力的產生和分布產生重要影響，從而進一步影響線圈整體的機械性能。因此，充分研究上述兩種工藝與殘余應力分布的主要關系，采用熱時效的方法進行殘余應力改善研究，對進一步優化ELM線圈的加工制造工藝，提升ELM線圈的機械性能具有重要意義。

1 盲孔法基本原理

盲孔法［3，4］是工程中應用最多的一種半破壞性殘余應力測量方法，利用一種特殊的應變花測量鉆孔釋放的殘余應變，通過理論分析或有限元的方法建立測得的應變與試件內部的殘余應力之間的關系。

在實際測試中，如圖1所示，應首先定位應變花“P”點，再選取測試點“O”鉆孔，“O”點釋放的殘余應力將使定位于“P”點的應變花發生位移（如圖2所示），應變儀將根據應變花位移情況測量“O”點的殘余應力。

圖1 “O”點及鄰近區域應力分布假設Fig.1 The Postulated Stress Distribution of“O”and its adjacent area

圖2 “O”點處3個不同方向的應變片（花）分布Fig.2 Rosette Distribution in three directions for“O”

如圖1所示，“O”點處的殘余主應力可表示為σ1和σ2，在距“O”點半徑為R的P點處σr和σt分別表示鉆孔釋放徑向應力和切向應力。σr與σ1的夾角為θ。σ1和σ2根據以下公式推導得出：

式中，ε1，ε2，ε3分別為3軸應變花3個不同方向的殘余應力釋放應變。E，r為材料常數。ε1，ε2，ε3由應變計測試得出。

2 實驗介紹

2.1 樣品選取

為準確分析導體成型工藝、線圈繞制工藝對外部鎧甲和內部銅導體殘余應力的影響，在實驗中選取了三個獨立的導體樣品進行應力分析：A樣品為一段200mm長的直段導體，用于分析導體成型工藝對外部鎧甲和內部銅導體殘余應力的影響。B樣品為一段R型彎曲導體（215mm，θ=90°），用于分析經成型、繞制工藝后的外部鎧甲和內部銅導體殘余應力分布情況，同時與A樣品測試結果做出比較，進一步分析繞制工藝對應力分布情況的影響。為便于分析和比較，選用與B樣品完全相同的C樣品，用于測試熱時效處理工藝對經成型、繞制后的線圈殘余應力分布的改善效果。此外，為分析導體成型工藝對外部鎧甲材料殘余應力分布的影響，實驗中也測試了成型前的外部鎧甲材料殘余應力的分布情況。

對于A樣品，在外部鎧甲上任意選取兩個測試點測試鎧甲殘余應力，經移除鎧甲后在內部銅導體上同樣任意選取兩個測試點，測試內部銅導體的殘余應力。B、C樣品外部鎧甲的測試位置測試點相同，如圖3所示，在樣品上分別選取了彎曲半徑的最外側、最內側以及與內外側互成90°上方的各三個點。點1與點2之間的夾角為15°，點2與點3之間的夾角為30°。對經去除外部鎧甲后的B、C樣品的內部銅導體采取了與外部鎧甲同樣的選點方式。圖4顯示了對B、C樣品移除外部鎧甲前（左）后（右）的測試點進行定位的過程。

圖3 B、C樣品外部鎧甲測試點分布示意圖Fig.3 The Testing Point Distribution on the Outer-Jacket of B、C samples

圖4 對B、C樣品移除外部鎧甲前（左）后（右）的測試點進行定位Fig.4 The Positioning of Testing Points for the Outer-Jacket and inter-Conductor for B and C Samples

2.2 盲孔法測試殘余應力

盲孔法測試殘余應力的主要步驟及其影響因素包含以下方面：

工件表面的處理：由于氧化層、油污等污染物對于應變花的粘貼質量至關重要，所以對待測量點需要預先使用砂紙進行打磨，裸露出新鮮的金屬表面，并使用酒精或者丙酮等進行清理。

粘貼應變花：在此之前需確保應變花的質量及應變花的角度分布，確保粘貼位置及角度準確，最大限度確保后續計算過程的準確性。

焊接導線：采用焊接的方法連接粘貼好的應變花與應力測試儀設備，在應變花的敏感柵位置覆蓋絕緣膠帶且將連接的導線分開，以確保在進行鉆孔等操作步驟時不會出現金屬碎屑等損傷應變花或者引起其短路現象，從而影響測試結果。

安裝鉆孔裝置：安裝鉆孔裝置于工件表面，并從放大鏡里觀察使鉆頭對準應變花的中心位置。固定鉆孔裝置，防止在操作過程中出現松動等現象影響測試結果。

鉆孔：在應變花的中心位置鉆孔（鉆孔直徑1.5mm，深度2mm），如圖5所示，其間應盡可能保證鉆頭垂直于工件表面，鉆到預定孔深的時候拔出鉆頭。讀取測得的穩定數據并記錄。

圖5 對B、C樣品外部鎧甲上的測試點進行鉆孔Fig.5 Hole Drilling on the testing point of Outer-Jacket of B and C Samples

2.3 熱時效處理工藝

實驗中將C樣品加熱至550℃并在此溫度下保持溫度2h，以1.3℃／min速度在空氣環境下降至室溫。在實驗過程中，使用三個熱電偶分別測試加熱爐、外部鎧甲及內部銅導體的溫度變化。如圖6（左）所示，外部鎧甲與內部銅導體升溫階段的溫度變化基本相同。（當導體溫度達到550℃時，實際爐溫約560℃）。圖6（右）及表1顯示導體在21：43：18到21：48：56期間的溫度變化情況。

圖6 C樣品熱時效處理溫度變化曲線Fig.6 Temperature Curve for C samples during the Heat Treatment

表1 不同時間段的冷卻速度分布Table 1 The Average Cooling Speed during Different Phases

3 測試結果與分析

熱時效處理緩解殘余應力實驗結果如表2所示：

根據表2可計算得出，A樣品外部鎧甲的平均σ1為128.09MPa，平均σ2為68.89MPa，較縮徑前的外部鎧甲材料殘余主應力分別增加了104.0%和40.1%，內部銅導體的平均σ1為62.40MPa，平均σ2為21.25MPa，為外部鎧甲的48.7%和30.9%，A樣品外部鎧甲與內部銅導體的平均σ1差為66.05MPa，平均σ2差為47.64MPa；B樣品外部鎧甲的平均σ1為99.38MPa，平均σ2為53.93MPa，較A樣分別減少了22.4%和21.7%，內部銅導體的平均σ1為75.26MPa，平均σ2為13.18MPa，較A樣品平均σ1增加了20.1%，平均σ2減少了37.9%，B樣品外部鎧甲與內部銅導體的平均σ1差為24.12MPa，平均σ2差為40.75MPa；C樣品外部鎧甲的平均σ1為51.37MPa，σ2為22.00MPa，較B樣品分別減少了51.7%和40.8%，C樣品的內部銅導體平均σ1為24.33MPa，σ2為6.03MPa，較B樣品分別減少了32.3%和45.8%，C樣品外部鎧甲與內部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97MPa。上述結果說明：導體成型增加了外部鎧甲的殘余應力，經線圈繞制后，線圈外部鎧甲、內部銅導體的主殘余應力得到一定的緩解。經對繞制后的線圈進行熱時效處理后，線圈外部鎧甲和內部銅導體的主殘余應力得到顯著降低。此外，線圈繞制工藝、熱時效處理能夠使線圈外部鎧甲與內部銅導體殘余應力趨于均勻化，在均勻化之后，外部鎧甲與內部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97 MPa，較導體成型工藝后的平均應力差分別降低了38.98MPa和31.67MPa。

表2 盲孔法測試的殘余應力結果Table 2 The Residual Stress Testing Results by applying Hole Drilling Methold

圖7 外部鎧甲（Inconel 625）在A、B、C樣品上的σ1分布Fig.7 σ1Distribution on the Outer-Jacket for A，B and C Samples

圖8 導體（CuCrZr）在A、B、C三種狀態下的σ1應力分布Fig.8 σ1Distribution on the Inter-Conductor for A，B and C Samples

根據圖7、圖8顯示，結合圖3可得出σ1的分布情況：A樣品的外部鎧甲和內部銅導體的主殘余應力分布較均勻，平均約128.08MPa和62.4MPa。B樣品的外部鎧甲和內部銅導體的最大殘余主應力為134.17MPa和127.10MPa，均出現在外部鎧甲和導體的內外側互成90°最上方處，即“Ⅲ”點（見圖3），最小殘余主應力49.47MPa和19.69MPa，分別出現在外部鎧甲最外側中間位置“2”點處和導體的最外側上方位置“3”點處。C樣品的外部鎧甲和內部銅導體的最大殘余主應力為73.06MPa和35.67MPa，出現在外部鎧甲最內側中間位置“2”點處和導體最內側下方“1”點處，最小殘余應力均出現在外部鎧甲和導體的最外側中間位置“2”點處。由表2可知，σ2的分布情況與σ1類似。上述結果表明：ELM線圈外部鎧甲和內部銅導體的最外側為殘余應力較小區域。熱時效處理工藝對線圈的殘余應力分布具有重要影響，經縮徑、彎曲工序后，未熱時效處理前，在線圈彎曲處（215mm，θ=90°），線圈外部鎧甲和內部銅導體的最大殘余主應力分布在鎧甲和導體的內外側互成90°最上方處，經熱時效處理后，鎧甲和導體的內外側互成90°最上方處最大殘余主應力顯著降低，外部鎧甲和內部銅導體的最內側區域相對成為最大殘余主應力分布區域。

4 結論

（1）導體成型的冷變形工藝會使得導體鎧甲及內部銅導體的殘余應力增加，相比于成型前殘余主應力會增加1倍以上。線圈繞制工藝能夠降低線圈外部鎧甲、內部銅導體的約20%。熱時效處理工藝能夠顯著緩解繞制后的ELM線圈殘余應力，線圈外部鎧甲、內部銅導體的殘余應力能降低約40%。

（2）線圈繞制工藝、熱時效處理能夠使線圈外部鎧甲與內部銅導體殘余應力差趨于均勻化，在均勻化之后，外部鎧甲與內部銅導體的平均σ1差為27.07MPa，平均σ2差為15.97MPa，較導體成型工藝后的平均應力差分別降低了38.98MPa和31.67MPa。

（3）ELM線圈外部鎧甲和內部銅導體的最外側為殘余應力較小區域。

（4）550℃恒溫2h并快冷的熱時效工藝能夠降低并均勻化ELM線圈外部鎧甲和內部銅導體的最大殘余主應力，使得其鎧甲及內部銅導體的殘余應力得到顯著改善。

［1］ 張霜銀，林鑫，陳靜，等.熱處理對激光立體成形TC4殘余應力的影響［J］.稀有金屬材料與工程，2009，38（5）.

［2］ Edward Daly.Overview of the ITER In-Vessel Coils［R］.ITER Organization，2013.

［3］ Rendler N J，Vigness I.Hole-Drilling Strain-Gage Method of Measuring Residual Stresses［J］.Exp.Mech，1966，6（12）：577-586.

［4］ Lu J，Flavenot J F.Applications of the Incremental Hole-Drilling Method for Measurements of Residual Stress Distribution［J］.Exp.Tech，1989，13（11）：18-24.

［5］ 戴福隆，亞敏，謝惠民，等.云紋干涉與鉆孔法測量殘余應力的實驗方法與系統［J］.實驗力學，2003，18（3）.