鈦合金內襯薄壁腔體結構設計與性能研究

摘要：二極磁鐵真空管道是強流重離子加速器裝置增強器的關鍵設備，為了降低渦流效應、減小磁鐵氣隙及降低真空管道加工難度，采用厚度為0.3 mm的不銹鋼包裹3D打印鈦合金內襯骨架制作薄壁腔體。通過仿真模擬對內襯骨架進行結構優化設計，制作薄壁腔體進行變形量測試和高溫烘烤強度測試。完成了3D打印鈦合金出氣性能評價、薄壁腔體鍍Ti-Zr-V薄膜前后極限真空測試和渦流發熱對真空性能影響的研究。研究結果表明，內襯骨架厚度為4 mm、寬度為11 mm、間距為15 mm時，不銹鋼和鈦合金應力小于強度極限；拱形高度為0.5 mm的內襯骨架實測變形量為0.78 mm，經過35次250 ℃高溫烘烤后結構穩定；TC4鈦合金材料的出氣性能和薄壁腔體的極限真空性能滿足設計指標要求。

關鍵詞：強流重離子加速器裝置；鈦合金內襯薄壁腔體；3D打印；結構優化；真空特性

中圖分類號：TH114；TL56

Structure Design and Performance Study of Titanium Alloy-lined Thin-wall Chambers

JIAO Jiqiang^1，2 MENG Jun^2* XIE Wenjun2 Guo Fangzhun1

1.College of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian，Liaoning，116028

2.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Science，Lanzhou，730000

Abstract： The dipole magnet vacuum pipeline was critical equipment for the booster ring of HIAF. In order to attenuate the eddy current effect， reduce the gap of magnet， and decrease the difficulty of vacuum pipeline machining， the 3D-printed titanium alloy-lined ring wrapped in stainless steel with a thickness of 0.3 mm was created for fabricating a thin-wall chamber. The structural optimization of the titanium alloy-lined ring was carried out through simulation， and thin-wall chambers were fabricated for deformation testing and high-temperature baking testing. Evaluation of the outgassing performance of 3D-printed titanium alloy was completed. Ultimate vacuum tests were conducted before and after coating thin-wall chamber with Ti-Zr-V films， and a study of the effect of eddy current on vacuum performance was carried out. The results show that the stresses of stainless steel and titanium alloy are below the strength limit when the thickness of the titanium alloy-lined ring is as 4 mm， the width is as 11 mm and the spacing is as 15 mm. The deformation of the ring， with an arch height of 0.5 mm， is measured to be 0.78 mm， and the structure remained stable after 35 rounds of high-temperature baking at 250 ℃. The outgassing performance of TC4 titanium alloy and the ultimate vacuum performance of the thin-wall chamber meet the design criteria.

Key words： high intensity heavy-ion accelerator facility（HIAF）； titanium alloy-lined thin-wall chamber； 3D-printing； structure optimization； vacuum performance

0 引言

強流重離子加速器裝置項目（high intensity heavy-ion accelerator facility，HIAF）是國家“十二五”重大科學工程之一，裝置建成后，將提供高流強、高功率、高能量的束流用于原子核結構、核聚變機制和原子物理學等方面的研究^［1-4］。增強環（booster ring，BRing）是HIAF的主加速器設備，周長為569.1 m，共分布48臺快脈沖二極磁鐵。快速變化的磁場使真空管道產生渦流發熱，縮短了束流壽命^［5］。真空管道采用陶瓷結構或厚度為0.3 mm的不銹鋼結構是減少渦流發熱的重要方法^［6-7］。

中國散裂中子源同步加速器采用氧化鋁陶瓷真空管道^［8-9］，德國重離子研究中心SIS100采用厚度為0.3 mm的不銹鋼薄壁加筋真空管道^［10］，通過運行測試，兩種結構均可有效降低渦流效應。但是，磁鐵的交變電流使陶瓷真空管道產生振動，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、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0.3 mm的不銹鋼包裹內襯骨架制作薄壁腔體，內襯骨架采用3D打印方法中的選擇性激光熔化技術加工，材料選用比強度較高的TC4鈦合金。本文開展鈦合金內襯薄壁腔體內襯骨架結構優化設計，制作原理性樣機進行試驗驗證，對3D打印的TC4鈦合金樣機進行真空性能研究。

1 薄壁腔體方案設計

鈦合金內襯薄壁腔體由316L不銹鋼薄壁管、TC4鈦合金內襯骨架和超高真空法蘭組成，結構如圖1所示。薄壁管由上薄壁管和下薄壁管兩部分組成，上下薄壁管內部包裹等長度的鈦合金內襯骨架，薄壁管和內襯骨架通過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0.3 mm，上下面等間距分布深度為0.7 mm的定位壓痕，以防止內襯骨架沿著縱向移動。內襯骨架截面形狀為跑道型，11根筋均勻排列，通過上下側的拉桿固定11根筋，形成穩定的內襯骨架，考慮到渦流損耗發熱效應，側面位置無固定拉桿。內襯骨架上下面設置薄板結構，筋的內表面與薄板內表面平齊。考慮制造成本和加工周期，內襯骨架采用3D打印方法中的選擇性激光熔化技術加工，所用原材料為TC4粉末，粒徑為20～63 μm，其加工工藝參數見表1，TC4鈦合金和316L不銹鋼特性參數見表2。

2 內襯骨架結構仿真分析

2.1 內襯骨架參數分析

針對鈦合金內襯薄壁腔體，通過ANSYS Workbench軟件靜態結構分析模塊開展內襯骨架結構仿真。根據孔徑要求，內襯骨架截面尺寸為208 mm×87.4 mm，考慮3D打印工藝要求，內襯骨架長度為205 mm，結構如圖2所示。仿真過程中，為了提高計算效率，選擇一個鈦合金環單元。對鈦合金環兩端施加無摩擦約束，不銹鋼薄壁管外表面施加0.1 MPa的壓力，鈦合金環和不銹鋼之間的接觸形式為摩擦接觸。結構優化過程主要考慮厚度t、寬度a和間距d變化時對不銹鋼應力、鈦合金應力和變形的影響。

初步設定內襯骨架的間距d為15 mm，對不同厚度、不同寬度下薄壁腔體的應力和變形進行仿真計算，結果如圖3所示。可以看出：①間距一定時，不銹鋼和鈦合金的應力隨著厚度、寬度的增大呈減小趨勢；當厚度增加至4 mm后，寬度繼續增大時不銹鋼和鈦合金的應力基本保持不變。厚度為4 mm、寬度為11 mm時，不銹鋼和鈦合金的最大等效應力分別為114 MPa和192 MPa，滿足強度要求。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。當厚度為4 mm、寬度分別為8 mm和11 mm時，變形為1.7 mm和1.36 mm，由此可以看出，內襯骨架寬度的增加會減小薄壁腔體的變形。

為了保證不銹鋼和鈦合金應力在強度極限范圍以及薄壁腔體變形要求，考慮磁鐵氣隙、內襯骨架打印難度、烘烤套安裝空間及薄壁腔體輕量化，選擇厚度為4 mm、寬度為11 mm的內襯骨架結構。針對該結構，通過優化間距來分析應力和變形，結果如圖4所示。由圖4可知，同一厚度下，隨著間距的增加，不銹鋼和鈦合金應力、薄壁腔體的變形快速增加。當厚度為4 mm、間距由15 mm增加至20 mm時，不銹鋼的應力增加了71 MPa，變形增大了0.3 mm，考慮到不銹鋼薄壁管應力安全余量和變形量，優選內襯骨架的間距為15 mm。

為了進一步減小鈦合金內襯薄壁腔體的變形，提高內襯骨架的強度和結構穩定性，圖5給出了內襯骨架上下面增加薄板和細絲結構。通過仿真厚度為0.5 mm和1 mm的薄板結構以及1 mm×0.5 mm和2 mm×1 mm的細絲結構，得到薄壁腔體變形結果，如圖6所示，可以看出，與細絲結構相比，薄板結構可有效減小薄壁腔體的變形量。但是對比厚度為0.5 mm和1 mm薄板結構的變形量，結果基本一致，從內襯骨架輕量化和3D打印難易程度考慮，采用厚度為0.5 mm的薄板結構能夠有效降低薄壁腔體變形，同時薄板結構能夠降低束流阻抗^［11］。

結合上述內襯骨架結構參數優化結果，鈦合金內襯薄壁腔體選用厚度為4 mm、寬度為11 mm和間距為15 mm帶有薄板結構的內襯骨架，仿真計算抽真空狀態下的單邊變形量為1.36 mm。根據束流孔徑要求，單邊變形量小于或等于1 mm時可滿足要求，因此，內襯骨架結構確定為拱形結構，拱形高度為0.5 mm，內襯骨架的高度由87.4 mm變為88.4 mm，抽真空后實際變形量為0.86 mm，滿足束流孔徑要求。

2.2 熱結構耦合分析

鈦合金內襯薄壁腔體需要承受250 ℃在線高溫烘烤以獲得目標真空度，烘烤過程中保證不銹鋼薄壁管的安全可靠是較為關鍵的問題。通過熱結構仿真計算得到薄壁腔體在250 ℃和抽真空共同作用下的變形和不銹鋼應力，如圖7所示。由圖7可知，薄壁腔體單邊最大變形為1.65 mm，比常溫工況變形增加了約0.29 mm；不銹鋼應力為135 MPa，遠低于不銹鋼316L的屈服強度極限，滿足強度要求。

2.3 薄壁腔體變形測試

為了評估3D打印鈦合金環抽真空狀態下的結構穩定性和變形情況，在滿足薄壁腔體安全可靠性要求的前提下，制作了內襯骨架寬度為8 mm的無薄板結構和薄板結構及寬度為11 mm的薄板結構，如圖8所示。通過三坐標儀對抽真空后薄壁腔體的變形進行了測量，測試結果表明，寬度為8 mm時，無薄板和0.5 mm薄板結構的變形量分別為1.82 mm和1.65 mm，寬度為11 mm薄板結構的變形量為1.28 mm，與仿真結果基本一致。與此同時，為了進一步評估鈦合金內襯薄壁腔體在高溫烘烤時的安全可靠性，按照升溫、250 ℃保溫48 h和降溫重復性過程，經過35次抽真空和破空循環測試，薄壁管和鈦合金環均無屈服，結構穩定可靠，滿足使用要求。

3 真空性能試驗結果分析

3.1 TC4出氣性能試驗

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。測試前對樣品進行超聲波清洗和500 ℃高溫除氣。試驗過程中對出氣率裝置進行250 ℃高溫烘烤及36 h保溫。溫度降至常溫48 h后對樣品進行升溫，溫度依次從50 ℃升高至210 ℃，出氣率試驗和擬合結果如圖9所示，回歸系數R2為0.999 86，自變量和因變量之間的相關性較好，擬合結果與試驗結果較吻合。由圖9可以看出，隨著溫度的升高，TC4出氣率呈指數增加趨勢。當溫度分別為50、110、210 ℃時，TC4的出氣率分別為4.47×10^-11，8.06×10^-11、1.18×10^-9 Pa·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。

為了評價TC4材料在不同溫度下出氣率試驗結果的重復性和離散程度，完成了3組重復性測試，每次測試前對樣品進行超聲波清洗、高溫除氣及高溫烘烤。當溫度分別為50、110、210 ℃時，TC4出氣率標準差分別為1.9×10^-12、1.53×10^-12和7.19×10^-11 Pa·L/（s·cm2），表明出氣率測試結果具有較高的穩定性。

3.2 高溫烘烤極限真空測試

薄壁腔體內部極限真空的分布對束流品質有重要影響，圖10為極限真空度測試結構示意圖。超高真空獲得設備由抽速為400 L/s的分子泵機組、抽速為360 L/s的離子泵和抽速為3000 L/s的鈦升華泵組成。采用IE514測量真空度，在兩端測試罩分別設置1個測量點（A和E），薄壁腔體外弧均布設置3個測量點（B、C、D），用質譜計QMG 220測量氣體成分的變化。為了提高鈦合金內襯薄壁腔體真空度、降低內部壓力梯度，采用彎弧磁控濺射鍍膜裝置^［13］對薄壁腔體鍍Ti-Zr-V薄膜。該薄膜是一種非蒸散型吸氣劑薄膜，高溫激活后對活性氣體氫氣具有較高的抽氣能力。薄膜厚度為2.3 μm，抽速為0.4 L/（s·cm2）。

對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，結果如圖11所示。可以看出，隨著烘烤溫度的升高，中間三個位置的壓力逐漸減小，但是當烘烤溫度從250 ℃升高至300 ℃時，同一測量位置的極限壓力基本一致。

由此可以看出，為了達到目標真空度，實際烘烤過程的溫度需為250 ℃；通過對比鍍膜前后極限真空度的變化，鍍膜后中間三個位置的真空度較鍍膜之前有明顯提高。鍍膜前C點的真空度為1.41×10^-9 Pa，鍍膜后C點的真空度約為8.8×10^-10 Pa，鈦合金內襯薄壁腔體鍍膜后有效改善了腔體內部的壓力梯度。這主要是因為鍍膜前薄壁腔體內部基底出氣量較大，由于薄壁腔體流導的限制，僅通過兩端的離子泵和鈦升華泵無法將薄壁腔體內部的氣體全部抽出。當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生化學反應并吸附到薄膜表面，將薄壁腔體內部的放氣源變成抽氣表面，氫氣的濃度進一步降低，真空度得到了提升。

3.3 渦流發熱對真空性能的影響測試

快脈沖二極磁鐵磁場變化導致鈦合金內襯薄壁腔體中產生渦流損耗，該效應會引起薄壁腔體溫度升高到96 ℃，采取通風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導致真空度惡化^［15］，為研究渦流發熱效應對薄壁腔體真空性能的影響，圖12給出了溫度為25、56、96 ℃時薄壁腔體鍍膜前后真空度的變化。結果表明，溫度升高時，薄壁腔體壓力逐漸增大，當溫度為56 ℃時C點的壓力為2.35×10^-9 Pa，溫度為96 ℃時壓力升至5.16×10^-9 Pa，壓力變化較為明顯。因此，在實際運行過程中，需要采取冷卻措施對鈦合金內襯薄壁腔體進行冷卻，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薄壁腔體進行降溫研究。

4 結論

1）內襯骨架厚度為4 mm、寬度為11 mm、間距為15 mm及拱形高度為0.5 mm時，不銹鋼和鈦合金的最大等效應力分別為114 MPa和192 MPa，滿足強度要求。

2）鈦合金內襯薄壁腔體拱形0.5 mm的實際變形量為0.78 mm，該薄壁腔體經過250 ℃及48 h高溫烘烤35次后，薄壁腔體無變型破壞，結構穩定。

3）溫度為50 ℃時，TC4的出氣率為4.47×10^-11 Pa·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度從1.41×10^-9 Pa提高至8.8×10^-10 Pa，鈦合金內襯薄壁腔體真空性能優于設計指標，可為同類薄壁腔體的應用提供經驗。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：焦紀強，男，1990年生，博士研究生。研究方向為高端真空設備結構設計與優化。

蒙 峻*（通信作者），男，1977年生，正高級工程師、博士研究生導師。研究方向為大型真空系統研發、極高真空獲得技術。E-mail：mengjun@impcas.ac.cn。

本文引用格式：焦紀強，蒙峻，謝文君，等.鈦合金內襯薄壁腔體結構設計與性能研究［J］. 中國機械工程，2025，36（2）：265-270.

JIAO Jiqiang， MENG Jun， XIE Wenjun， et al. Structure Design and Performance Study on Titanium Alloy-lined Thin-wall Chambers［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：265-270.

基金項目：“十二五”國家重大科技基礎設施“強流重離子加速器裝置”項目（117200HIAF）；國家重點研發計劃（Y91O310201）