ITER 重力支撐高溫合金螺栓的制造工藝及質量控制

許 丹，李鵬遠，張 博

（1.核工業西南物理研究院，四川 成都 610000；2.中國國際核聚變能源計劃執行中心，北京 100081）

1 引言

如圖1 所示，國際熱核聚變實驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七方30 多個國家共同合作建造的一個大型托卡馬克聚變反應裝置，代表了該領域最先進的科學和工程技術。其目標是通過建造反應堆級核聚變裝置，驗證和平利用核聚變發電的科學和工程技術可行性[1]。如圖1 所示，超導磁體重力支撐（Gravity Supports,以下簡稱GS）使用12 根M33×3 和10 根M42×3 的718 合金螺栓分別在480kN 和720kN 的預緊力下將韌性板、墊板、上壓塊和下夾塊裝配成子裝配體。使用M85×4 螺栓在3200kN 預緊力下將重力支撐子裝配體（GS）固定在杜瓦環底座上[2]。

圖1 ITER 裝置及重力支撐（GS）示意圖

18 個由螺栓組裝而成的ITER GS 支撐承受著包括磁體系統上萬噸的凈重、由室溫冷卻到工作溫度時磁體收縮產生的熱應力，等離子體正常放電時的電磁力，等離子體垂直不穩定及破裂等非正常放電時的交變電磁力等。極端情況下，單顆718 合金的服役工況為77K 12 萬次、4Hz、3200kN±400kN 的循環往復載荷[3]。ITER 裝置一旦運行，在20 年的運行期內難以進行維護或更換。為了保證ITER 裝置安全穩定運行。基于大量的工藝認證、生產實踐及檢測實踐，本文總結提出了一套ITER 重力支撐718 合金螺栓的質量控制流程，為其他行業螺栓部件的質量控制提供參考。

2 718 合金材料及螺栓的生產工藝介紹

2.1 718 合金介紹

718 高溫合金55%Ni-20%Cr-3%Mo-5%Nb 是以面心立方奧氏體γ 為基體，體心立方γ″（Ni3Nb）和面心立方γ′（Ni3（Al,Ti））沉淀強化的高溫合金。718 合金在-269℃～650℃之間具良好的抗拉強度、屈服強度、持久強度和塑性，同時具有良好的抗腐蝕、抗輻照、熱加工及焊接性能。典型的718 合金的化學成分和力學性能如表1 及表2 所示[4，5]。

表1 718 合金的化學成分[4]

表2 718 合金的力學性能[4，5]

2.2 718 合金的生產工藝流程

鎳基718 合金螺栓的生產工藝流程如圖2 所示，分為材料冶煉—均勻化處理—化學成分檢測—鍛棒鍛造—鍛棒機加—固溶處理—沉淀強化熱處理—理化檢測—棒材超聲波探傷—機械加工—螺紋滾壓—成品無損檢測—清洗包裝。在批量生產前應對圖2 中標注★的制造工藝進行評定，確保在最不利條件下的產品能滿足使用ITER 極端工況需求。

圖2 718 合金的生產工藝流程

3 聚變堆718 合金螺栓的質量控制

3.1 718合金螺栓冶煉過程的質量控制

使用“ 真空感應熔煉+保護氣氛電渣重熔+真空自耗”三聯冶煉工藝冶煉。在冶煉時控制P、S、O、N、H、Co 等元素的含量，保證Nb、Ta 等沉淀強化元素的均勻性。冶煉后的真空自耗鋼錠應該進行均勻化處理，消除高溫合金鋼錠中的偏析及白斑、黑斑、LAVES 相等缺陷。

3.2 718 合金螺栓鍛造及熱處理過程的質量控制

每個合金錠水口切除量不低于合金錠總長的3%～5%、冒口切除量不低于合金錠總長的8%～10%，以避免鍛棒內殘留縮孔和偏析等冶金缺陷。鍛棒的總鍛造比不小于5，在鍛造過程中鍛棒溫度不得低于終鍛溫度。鍛造設備的測溫精度需控制在±2℃以內。鍛造時間，鍛造溫度等工藝參數不得超出工藝評定的范圍。

3.3 原型件保證載荷測試及77K 疲勞測試

為確保718 合金螺栓能夠服役于ITER 極端工況下，每爐批次任選1 根718 合金螺栓原型件進行77K 溫度下4Hz、3200kN±400kN,12 萬次的疲勞測試及3200kN 的保證載荷測試。對于保證載荷測試，不允許出現（0.25×螺栓總長）的塑性變形；對于疲勞測試，不允許其在12 萬次內發生失效。

3.4 無損檢測

對所有718 合金進行100%的尺寸—目視—滲透—超聲檢查。對于尺寸檢查，采用螺紋綜合掃描儀器檢測螺紋牙型角、螺距、牙底半徑和牙頂半徑等尺寸。采用目視檢查避免螺紋表面出現裂紋、缺陷和局部塑性變形。采用滲透檢測檢查整個螺栓的外表面，不允許出現任何顯示；采用水浸式UT 檢驗檢查整個螺栓的缺陷，不允許出現超過1.5mm 的顯示。

3.5 抽樣破壞性檢測

每爐批次隨機抽取一根螺栓進行破壞性取樣，進行表3 所示的化學成分，微觀組織，金相，4K 及常溫下的力學質量控制。參照具體工況及判定標準進行合格判定。

表3 718 合金螺栓的破壞性檢測測試

3.6 合格性判定

產品合格的前提是本標準的所有檢測均合格當出現不合格項次時作如下處理：如100%抽查率的非破壞性試驗不符合要求，則該產品做報廢處理；如每爐批次抽查的破壞性試驗不滿足要求，應自同一產品及同批次隨機一根產品上再次按標準取雙倍樣進行復測，如果這些附加試樣中的任何一個試樣不符合這些要求，則該爐批次產品作報廢處理。

4 結論

本文介紹了ITER 重力支撐718 合金螺栓的質量控制要點。通過控制原材料冶煉、鍛造、熱處理、滾壓螺紋等關鍵工序結合螺栓產品的尺寸檢查、無損檢測、破壞性檢測、原型件力學性能檢查等保證螺栓在常溫及極低溫下的性能。截至目前，ITER 重力支撐的400 余顆718 合金螺栓已完成所有工藝認證、生產及并已交付法國，順利通過ITER 國際組織的驗收測試，證明了該套生產工藝及質量控制體系滿足工程運用的要求。