CuCrZr合金冷拔薄壁管内部折叠缺陷检测与仿真

常胜平 ，王万景，李 强，赵四祥，徐 跃，魏 然，彭凌剑，秦思贵，史英利，任树贵，刘国辉，王铁军，罗广南

（1.中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031；2.安泰科技股份有限公司，北京 100081）

铬锆铜（CuCrZr）合金管具有高的热导率、电导率以及良好的焊接性和力学性能，在国际热核试验堆（ITER）偏滤器设计中被选用为热沉材料［1］。ITER在长脉冲或稳态运行时，偏滤器部件经受高达10～20MW／m2的稳态热载荷以及高束流粒子轰击［2－3］，工作环境极为苛刻。为了保证材料批量稳定性和部件安全，ITER组织在选用CuCrZr合金管用材料时专门制定了严格的质量控制文件，除了制备工艺、化学成分控制和力学性能检测外，每一根管在使用前还必须经过目视和涡流无损检测。我国大科学工程装置“东方超环”（Experimental Advanced Superconductive Tokamak，EAST）在最新一轮的内部部件升级改造中，将上偏滤器的掺杂石墨瓦升级为主动水冷却钨／铜部件。其中，靠近打击点区域的靶板采用了ITER“穿管型”部件的结构设计。所采用的热沉管材为国内生产，成分和检测都符合ITER 材料文件。然而，利用目视检测和涡流检测方法检测合格的CuCrZr穿管型部件，在随后的管内水浸超声检测时发现部分部件在扩散连接界面附近存在超标的贯穿型带状缺陷。金相分析表明：该缺陷为铜管近外表面的折叠缺陷，实质为氧化铜夹层。这种缺陷在热等静压制造过程中不会愈合，将极大降低偏滤器热沉结构传热效率，阻碍靶板上热量的移除，严重时将导致钨的烧蚀、熔化甚至挥发，给聚变装置安全运行带来风险［4－5］。但是，适合部件界面检测的管内水浸超声方法并不适宜原料管中近外表面缺陷的检测，这是因为缺陷波和外表面底波叠加在一起难以分辨。因此需要在涡流检测的基础上开发出其他有效的无损检测手段，实现此类缺陷在热等静压工序之前能够被检出。

笔者首先介绍ITER 级CuCrZr管材及偏滤器部件结构和相应的无损检测方法，包括涡流检测和管内水浸超声检测，随后对发现的ITER 级CuCrZr管内折叠缺陷进行检测分析并探讨新的检测手段，同时进行了仿真模拟。

1 检测对象和方法

1.1 EAST钨铜偏滤器结构

参照ITER 偏滤器的设计，等离子体物理研究所设计的EAST 偏滤器部件及装配结构如图1 所示，其中打击点区域内、外靶板采用类ITER 钨铜穿管结构（W／Cu－Monoblock），主要由钨块、Cu 中间层和CuCrZr管三种不同材料通过热等静压（Hot Isostatic Pressing，HIP）焊接而成［6－7］。EAST 钨铜穿管部件选用ITER 级CuCrZr冷拔管材，其外径φ15mm，壁厚1.5mm，属于小径薄壁管材。

图1 EAST 偏滤器部件及装配结构

1.2 CuCrZr管的涡流检测

EAST 铜合金管的检测参照（ITER）CuCrZr管材质量控制文件，首先须目视检查，要求管材的表面平整、光滑，避免出现弯曲、褶皱、孔洞、刮痕、裂纹和夹杂等缺陷，之后进行100%涡流检测，并检出大于10%的壁厚减薄。参照标准GB／T 5248－2008《铜及铜合金无缝管涡流检测方法》，制作包含通孔和壁厚减薄缺陷的试样A 以及包含环向和轴向V 型槽的试样B作为对比试样。

实际检测时，为了保证检测到整个深度方向上的缺陷并对外表面及近外表面的缺陷保持高灵敏度，使用两个不同探头分别采用外穿过式和放置式进行检测。外穿过式探头内置φ15.6 mm 自比差分式线圈，系统校准及参数设置依据试样A 的人工缺陷，成功检出凹坑、鼓包、夹杂、悬崖台阶及壁厚减薄等缺陷；放置式点探头内置φ3mm 绝对线圈，依据试样B上的人工缺陷进行系统校准及参数设置后，成功检出超标的环轴向划痕、裂纹等缺陷。

1.3 钨铜穿管部件的无损检测

EAST 钨铜穿管部件具有外部钨块不连续、管径较小、包含两层弧形扩散焊接界面和整体结构沿轴向弯曲等特征。为了实现对两个扩散焊接界面焊接质量的无损检测，在生产前开发了管内单探头旋转－步进水浸超声检测法。检测系统采用特制的侧向发射聚焦单探头，探头直径6.5mm，长8mm，激励频率15MHz，探头侧面安装有直径为3.2mm 的圆形陶瓷压电晶片。考虑部件具体情况，实际检测时探头通过定位工装置于部件Cu管中以确保探头周向稳定，通过挠性管连接探头定位工装可以实现探头的轴向提拉与旋转和部件弯曲段的检测。检测时探头在铜管内自下端向上匀速提拉过程中垂直于Cu管内壁发射并采集各界面的超声脉冲回波，到达上端后探头旋转5°，继而由步进机构推送至下端，开始下一个扫查，完成360°扫查之后进行C 扫描成像形成完整的超声图谱。

参照ITER 质量控制文件制备了钨铜穿管部件的对比试件：在W／Cu和Cu／CuCrZr界面处分别加工φ1mm 和φ2mm 人工平底孔缺陷。如图2所示为Monoblock对比试样和Cu／CuCrZr界面超声检测图谱，界面上φ1mm 和φ2mm 平底孔缺陷均可被检出。

图2 Monoblock人工缺陷标样和Cu／CuCrZr界面超声扫描图谱

2 折叠缺陷的检测与仿真

2.1 缺陷发现与分析

在穿管型W／Cu部件的试生产过程检测中发现，一些部件的超声C扫描图呈现如图3（a）所示的典型带状贯穿型缺陷。图中横坐标表示圆周360°，纵坐标表示W／Cu Monoblock纵向长度，垂直于纵坐标的横线为W／Cu块之间0.5mm 的间隙。图中线型带状部分为缺陷，缺陷处于圆周方向220°～240°位置，宽度约为周向10°～15°，长度贯穿整个W／Cu部件，在A 扫描图中缺陷回波位于Cu／CuCrZr界面位置，仅有一个峰值。

图3 Monoblock中折叠缺陷的超声C扫描图和金相图

图3（a）对应的超声A 扫描图中的时域闸门设置时需要采集完整的Cu／CuCrZr界面回波，不仅包括Cu／CuCrZr界面，也包含部分Cu和CuCrZr基体材料。从超声图谱时域角度分析，推测缺陷可能为焊接界面脱粘缺陷。脱粘缺陷由于界面未焊合而存在空隙，导致回波幅值高于设定阈值。典型W／Cu界面脱粘的形貌图和与其对应的探伤图谱如图4（a），（b）所示。通常大面积的界面脱粘通过横截面目视即可判定，但此部件缺陷处横截面目视无明显缺陷。

线切割后做横截面光学显微镜分析如图3（b）所示，可见距外表面100μm 处存在约1.7mm 长度的薄层状缺陷。在热等静压扩散焊之前，CuCrZr管外表面电镀了暗Ni层，所以灰色的Ni层即为Cu／CuCrZr焊接界面。用于W／Cu穿管部件检测的超声频率是15 MHz，垂直分辨率为毫米量级。然而，缺陷与Cu／CuCrZr界面之间距离仅有100μm，二者无法区分，两个反射波叠加在一起形成一个回波波峰。

图4 Cu／CuCrZr连接界面脱粘缺陷及其对应的超声检测图

横断面缺陷处的SEM 图像如图5（a）所示，开裂缺陷层中夹有细小颗粒，利用SEM 上的能量色散X 射线谱仪（EDS）对缺陷内颗粒进行成分分析，显示氧含量达21%，表明缺陷实质为氧化铜夹层。SEM 图显示夹层有两种状态，开裂和未开裂，开裂处夹层较厚（可达20μm），而未开裂处夹层较薄。沿着图5（a）中虚线垂直于开裂夹层的EDS线扫描，反映了缺陷及周围氧含量的分布，如图5（b）所示。

图5 折叠缺陷的SEM 图及EDS线扫图

CuCrZr管生产工艺的主要工序为：真空感应熔炼→铸造→铸锭修磨→850 ℃热挤→修磨→冷拔→475 ℃×3h时效处理。其中修磨工序的目的在于去除铸造和热挤引入的氧化皮、划伤、褶皱等近表面缺陷。若修磨不充分，未去除的氧化皮在冷拔时随着金属流变而卷入内部，并随着后续冷拔形变量的增大沿拉拔方向被拉长，形成管材近表面的贯穿型氧化铜折叠缺陷［8］。

在HIP之前，涡流检测未检出大面积折叠缺陷。原因在于涡流对平行于表面的折叠缺陷不敏感。外置穿过式线圈在铜管中形成的涡流是沿着圆周方向，从外到内逐渐由密变疏的大闭合环路；而外置旋转式点探头在铜管中形成的涡流是围绕径向，从外到内逐渐由密变疏的小闭合环路。折叠缺陷平行于这两种涡流，铜管中的涡流不会被阻断，阻抗未发生变化，因此涡流法无法检测出此类缺陷。针对折叠缺陷，常规的检测方法是超声检测，但是由于此折叠在铜管近表面，且铜管为薄壁小径管，超声波检测此类缺陷时无法区分铜管外表面反射波和缺陷波，而监测底波衰减的方式在材料均匀、厚度一致、表面粗糙度低的情况下，在原理上可实现此类缺陷的检出，因此尝试采用超声底波衰减的方式来检测管材折叠缺陷。

2.2 底波衰减分析

常规的超声底波衰减方法主要用于检测金属材料的晶粒尺寸不均匀性，通常使用两次及以上反射回波计算材料的衰减系数，以此作为评判材料晶粒的依据［9］，复合材料的分层及陶瓷材料的孔洞缺陷也可通过底波衰减的方式进行检测［10－11］。在裂纹取向与声束入射角平行或呈较大夹角的环件检测中，超声底波衰减的方法也被证明是有效的［12］。生产中发现的铜管折叠缺陷实质是CuO 层，与CuCrZr之间存在较大的声阻抗，造成超声波反射，加之CuO 层使透过的声波衰减，导致底面回波幅值减小，同时铜管厚度、材料均一性和表面粗糙度满足要求，故可采用底波衰减检测。

底波衰减检测采用水浸超声检测系统，将铜管置于水槽中两根等径的传动轴之间，传动轴同向转动，带动铜管匀速转动。频率15MHz、焦距50.8mm 的聚焦探头置于铜管正上方，并沿着铜管轴向匀速运动。调高增益以确保足够的检测灵敏度，采集底波并用色谱标识波幅高低完成C扫描成像。

三个不同CuCrZr管的超声底波C 扫图如图6所示。铜管Ⅰ的底波C 扫描成像图中无明显缺陷，对照A 扫波形图可得整个样品的底波幅值约80%屏高。任意线切三处，观察横断面金相均未见折叠缺陷，如图6（a）所示。图6（b）中铜管Ⅱ的底波C扫描成像可见轻微折叠缺陷1＃和2＃，1＃处底波幅值约为62%屏高，2＃处的波幅为52%屏高，无缺陷处波幅为80%屏高。沿着图中黑色实线进行线切，横截面显微金相可见两条较薄的未开裂折叠缺陷，折叠形貌如图7（a）所示，测量知折叠沿圆周延伸的尺寸分别为1.7mm 和2.4mm（13°和18°）。图6（c）为铜管Ⅲ的底波C扫描成像，可见两条折叠缺陷3＃和4＃，其中3＃较窄，底波幅值为50%屏高，4＃较宽，幅值为30%屏高；沿着图中黑色虚线处线切后断面金相如图7（b）所示，折叠形貌包含两部分：开裂部分和未开裂部分。测量折叠沿圆周延伸的长度尺寸：折叠3＃开裂部分沿圆周长约0.5 mm（4°），未开裂部分约2.5mm（19°）；折叠4＃开裂部分长约1.1mm（8°），未开裂部分约6.6 mm（50°）。实际缺陷尺寸、超声C扫图中测量的尺寸及对应的底波衰减幅度数值如表1所示，可见此种检测条件下超声底波检测C 扫图中显示的缺陷尺寸与实际缺陷大小吻合得很好，而且缺陷尺寸与超声底波衰减幅值呈较好的对应关系。故测量超声底波衰减的方式对于CuO 折叠缺陷的检测可靠有效。

图6 三个CuCrZr管样品的超声扫描图谱

表1 缺陷尺寸与衰减幅值对应表

图7 图6（b），（c）对应的金相图

2.3 超声仿真

检测时由于氧化铜折叠缺陷的特殊性，难以制作相应的人工缺陷作为参照，采用超声仿真的方法可以模拟折叠引起的声波反射和衰减，表征缺陷性质，对比验证检测结果并确定检测灵敏度［13］。采用法国原子能委员会开发的CIVA 仿真软件超声模块［14］。管壁内CuO 折叠缺陷厚度设定为5μm，距离外表面100μm。铜管基体衰减系数设为0，无缺陷时，底波幅值为100%。探头及入射超声波参数设置与实际相同情况下，进行超声波B扫描仿真。

2.3.1 周向角度20°CuO 折叠缺陷的超声衰减

设定管内厚度为5μm，周向角度20°的为开裂折叠缺陷，仿真计算后得到的超声图谱如图8所示，左上是B扫图，左下是B扫图中十字指针位置的A扫波形图，右边是3D 视图。在无缺陷位置，底波的幅值为100%，缺陷位置底波幅值为66%，考虑由于铜管造成的底波衰减为20%，因此实际衰减幅值为27.2%。对比图6（b）中自然缺陷2＃可知实际衰减幅值与仿真结果相近，进一步验证了检测结果。

图8 周向角度20°的氧化物折叠缺陷超声仿真

2.3.2 缺陷最小可检尺寸

实际检测的最小可检尺寸，是通过逐步缩小角度的仿真计算而得到的。依次对周向20°、7.5°、4°和1°大小的缺陷造成的底波衰减幅值进行仿真，得折叠周向角度4°时底波衰减幅度为16%，在实际检测时可以较好的辨别。因此从仿真角度，5μm 厚度的CuO 折叠缺陷的最小可检尺寸为周向4°，即周向长度为0.5mm，表明底波衰减检测方式对这种缺陷具有较高灵敏度。

3 结论

EAST 钨铜偏滤器部件无损检测时发现ITER级CuCrZr管材近表面折叠缺陷，该缺陷会阻碍热沉结构的传热，致使靶板温度过高，造成钨的烧蚀、熔化甚至挥发。在常规涡流检测无法实现对此类缺陷检出的情况下，尝试了应用水浸超声底波衰减检测法且成功检测出此类缺陷。同时，通过超声仿真验证一定角度的折叠缺陷的底波衰减，模拟结果与实际检测较为一致。在EAST 钨铜偏滤器部件的制造过程中，采用涡流检测并结合超声波衰减检测的方式，成功地控制了热沉铜管的质量。此研究也为完善ITER 偏滤器热沉水管无损检测方法提供了借鉴。

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