引言

正在建設(shè)的強(qiáng)流重離子加速器裝置（High Intensityheavy-ion Accelerator Facility，HIAF）是國(guó)家“十二五”重大科學(xué)工程之一，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。增強(qiáng)環(huán)（Booster Ring，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，縮短束流壽命。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)是降低渦流發(fā)熱的重要方法。 

中國(guó)散裂中子源同步加速器采用氧化鋁陶瓷真空管道，德國(guó)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(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，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。

圖1鈦合金內(nèi)襯薄壁腔體結(jié)構(gòu)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(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?？紤]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(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)ANSYS Workbench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。

圖2內(nèi)襯骨架結(jié)構(gòu)示意圖

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。從圖3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、寬度的增加呈減小趨勢(shì)；當(dāng)厚度增加至4mm后，寬度繼續(xù)增加時(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加逐漸減??；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)襯骨架的寬度增加會(huì)減小薄壁腔體的變形。

圖3不同厚度、寬度下薄壁腔體的應(yīng)力和變形

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。由圖可知，同一厚度下，隨著間距增加，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。

圖4不同厚度、間距下薄壁腔體的應(yīng)力和變形

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)，得出薄壁腔體變形結(jié)果如圖6所示，從圖可以看出，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。但是通過(guò)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。

圖5內(nèi)襯骨架薄板和細(xì)絲結(jié)構(gòu)示意圖

圖6內(nèi)襯骨架薄板結(jié)構(gòu)變形結(jié)果

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(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35MPa，遠(yuǎn)低于不銹鋼316L的屈服強(qiáng)度極限，滿足強(qiáng)度要求。

圖7熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下薄壁腔體變形和應(yīng)力結(jié)果

2.3薄壁腔體變形測(cè)試 為了評(píng)估3D打印鈦合金環(huán)在抽真空狀態(tài)下結(jié)構(gòu)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(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24h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。

（a）寬度8mm無(wú)薄板結(jié)構(gòu)

（b）寬度8mm薄板結(jié)構(gòu)

（c）寬度11mm薄板結(jié)構(gòu)

3、真空性能試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1TC4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[13]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℃和210℃時(shí)，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(yàn)結(jié)果

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℃和210℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.9×10^-12、1.53×10^-12和7.19×10^-11，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給出了極限真空度測(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），質(zhì)譜計(jì)QMG220測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖

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變化，結(jié)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(gè)位置的壓力逐漸降低；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。

圖11極限真空測(cè)試結(jié)果

由此可以看出，為了達(dá)到目標(biāo)真空度，實(shí)際烘烤過(guò)程的溫度需在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升。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℃。薄壁腔體溫度升高會(huì)導(dǎo)致真空度惡化，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℃和96℃時(shí)薄壁腔體鍍膜前后的真空度變化結(jié)果。結(jié)果表明，溫度升高時(shí)，薄壁腔體壓力逐漸增加，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)壓力升高至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，以降低壓力，課題組目前正在開(kāi)展采取液氮冷卻形式對(duì)薄壁腔體進(jìn)行降溫研究。

圖12不同溫度下薄壁腔體壓力分布

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(shè)計(jì)指標(biāo)，可為同類薄壁腔體的應(yīng)用提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。