ITER极向场线圈支撑结构关键部件的锻造工艺及监造技术

廖 敏，李鹏远，康道安，张 令

(1.核工业西南物理研究院，四川 成都 610041；2.贵州航天新力铸锻有限责任公司，贵州 遵义 563000 )

ITER极向场线圈支撑结构关键部件的锻造工艺及监造技术

廖 敏1，李鹏远1，康道安1，张 令2

(1.核工业西南物理研究院，四川 成都 610041；2.贵州航天新力铸锻有限责任公司，贵州 遵义 563000 )

在ITER磁体支撑结构中，极向场线圈支撑的关键部件中不仅含超长超厚的大尺寸规格，还含U形两端不均匀狭缝设计，具有尺寸精度要求高，冶炼、锻造技术要求高、结构难以加工、机加工时间长、成形工艺复杂、制造难度大等特点，相比最初多道焊接成型产品带来的变形风险，采用奥氏体不锈钢整体锻造技术，保证了316LN大锻件钢锭材料化学成分，机械性能（室温和低温），微观组织等均满足ITER的技术要求，并有效保证产品的装配精度和无损检测等质量要求。通过对ITER极向场线圈支撑结构制造过程的技术要点分析和总结，介绍了制造环节中的关键控制点，同时对制造过程中的质量监督重点作了分析。

ITER；奥氏体不锈钢；锻造；监造

核工业西南物理研究院承担的ITER磁体支撑采购包制造任务中，超导磁体部分由18个环向场线圈、6个极向场线圈，18个校正场线圈组成，重达9 000 t。主体支撑材料选用高含氮量（质量分数为0.12%～0.22%）的316L奥氏不锈钢[1]。其中极向场支撑线圈中不仅包括长度超过3 m，厚度达0.5 m的大尺寸规格部件，还包括两端带有不均匀狭缝设计，结构难以加工的PF2 U形盒，以及PF3/4支撑轴等关键部件[2]。由于支撑结构组件在运行期间无法维修，设备的工作温度也十分苛刻，从室温到液氮（-196 ℃）温度，甚至接近液氦（-269 ℃）温度，因此对组件的制造和组装工艺的质量要求很高，以确保运行期间的所有支撑部件能正常工作。

针对ITER极向场线圈支撑结构制造过程的技术要点，本文主要介绍了制造环节中的关键控制点，同时对制造过程中的质量监督重点作了分析。锻件制造过程中，曾出现过钢锭化学成分不达标、锻件锻造开裂、内部缺陷超标等问题。本文主要针对大锻件钢锭的冶炼、锻造工艺、微观组织的控制、晶粒度的控制（晶粒度大于等于2级）、超厚大锻件（超过200 mm）的无损检测等制造过程中可能出现的问题进行了分析，旨在提出ITER PF支撑结构在制造过程中的质量监督要点，以便在产品监造工作中更好地控制其制造质量。

1 文件准备

1.1 质量计划

制造开始前，制造企业必须提供资质证明，须按要求提交项目质量计划（QP）。ITER磁体支撑认证测试件所用的316LN不锈钢锻件必须进行质量认证[3]，锻件须在室温和低温下进行性能测试，并满足ITER项目对材料的晶粒度要求。

质量计划内容具体要求涵盖17项，内容包括：1）制造任务的范围；2）质量管理体系；3）合同审核；4）文件的编制和管理；5）设计；6）采购；7）产品标识与控制；8）制造过程中用于指导冶炼、锻造、热处理及机加工的实施方案，以及超声波检测、理化试验用试样的制取和试验过程、目视检查、尺寸检查、标志等操作将编制专用程序文件；9）检验及测试，取样并进行理化性能测试；10）测量及检验设备，定期校准；11）处置、储存、包装、发货及交货；12）记录的检索、贮存及存档保存；13）偏离项及不合格项的处理；14）人员的培训及资质，特别是试验人员资格评定和认定程序；15）统计技术，找到影响产品质量的关键因素，制定解决途径；16）评估，指对该质量计划的实施状态和有效性进行验证，以便持续改进；17）参考标准及技术要求。

1.2 制造与检测计划（MIP）文件

制造开始前，制造与检测计划（MIP）应结合进度计划，按照质量要求，覆盖生产制造过程中所有制造过程和检测内容。制造企业在生产之前，须向采购方和业主提供详细的质量保证文件供审查和批准，取得开工授权资格后方可开始制造。开工授权审查文件包括：质量计划（QP）、制造检测计划（MIP）文件、产品规格清单、制造转化图纸、NDE检查程序、原材料采购验收管理程序、冶炼/锻造控制程序，还包括审查制造检测计划（MIP文件）中引用的适用文件（三级操作工艺，检测规程等），诸如：锻造工艺、变形工艺、取样工艺、热处理工艺、机加工工艺、化学分析操作规程、金相检测规程、磁导率检测规程、机械性能检测规程、液体渗透检测规程、超声波探伤规程、目视检查规程、尺寸检查规程、清洁规程、包装规程等。

2 PF支撑结构大锻件的制造

PF支撑结构大锻件的制造工艺为：金属冶炼→锻造→NDE检查→预备热处理→机加工→异型成型→固溶热处理→NDE检查→酸洗→清洁→包装等。PF支撑结构中关键部件的结构如图1所示。

2.1 冶炼

316LN(C3)属于超低碳控氮奥氏体不锈钢，在冶炼过程中需要重点控制碳含量、氮含量。为了克服碳铬元素形成高铬的Cr23C6型碳化物导致的晶界铬的贫化，降低耐晶间腐蚀性能，钢锭的冶炼选采用EAF（电弧炉）粗炼+VODC精炼方法，可把碳脱到0.035%以下，有效控制316LN钢锭中的碳氮含量，保证钢锭冶炼的高纯净度和高均匀性。在对原材料进行复验时，重点是复验材料中的磷、铜、钴、砷等有害元素。

图 1 316LN不锈钢大锻件半成品及PF线圈支撑U形盒原型件Fig.1 316LN austenite stainless forgings product & PF coils supports U-shaped box

在大锻件制造过程中，尽可能建立使用大容量的炉批量。钢锭直径、重量及废弃部分有严格要求，如钢锭锭底和冒口的切除量占整支钢锭质量分数分别不小于3%和14%，锻件由大于等于17 t/支的钢锭制造，去除了钢锭缺陷和偏析部分，使产品位于钢锭的锭身部位。监造中严格遵守对316LN不锈钢钢锭冶炼的控制和合理的钢锭使用，并严格按照冶炼工艺规程执行，钢水和成品成分分析按照ASTM A751[4]标准执行。

2.2 锻造

316LN大锻件规格为500 mm×1 020 mm×2 619 mm，重量为10 551 kg，截面尺寸大，锻造工艺难度大，且对材料机械性能和微观组织有着很大的影响。锻造的重点是保证锻件的晶粒度满足设计要求。ITER磁体支撑结构对锻件的技术要求较高，锻件的晶粒度等级按ASTM E112[5]执行，必须大于等于2级。由于锻件尺寸过大，很难保证晶粒度的均匀，特别是锻件芯部的晶粒度，加之不锈钢锻造具有导热率低、可锻温度范围窄、过热敏感性强、高温下抗力大、塑性低等特点，因此锻造过程中对表面及芯部开裂的控制是技术难点。

316LN大锻件主要的变形工艺为“钢锭镦粗+SUF法打扁压实+打薄再收高”。锻造温度选用1 180～850 ℃，在最后一火采用1 150～800 ℃，锻后立即水冷。通过对锻造最低温度的控制避免了金属间化合物δ相析出，防止锻件开裂；而对锻造最高温度的控制，避免了由于加热温度过高引起的晶粒剧烈长大，导致抗晶界腐蚀性能变差，同时也避免在1 200 ℃时α铁素体增多而引起的塑性变差和锻打时易开裂的情形。

在锻造完成后，为保证316LN不锈钢大锻件的性能，通过固溶热处理使锻件二次再结晶，消除由于锻造变形不均匀等造成的混晶现象，使组织均匀，同时使碳化物充分溶解，减少晶界碳化物的分布，消除由于碳化物析出造成的晶间腐蚀。

监造中必须严格检查按照锻造工艺规程执行，重点关注锻造温度，如控制始锻温度和终锻温度。检查锻造比，锻造或热轧应保证在加工过程中组织均匀，锻、轧比应在4以上。锻后及时进行锻件热处理，锻后锻件在空气中暴露不得超过24 h。还应关注锻件外观、尺寸以及UT检查，满足工艺及验收标准的要求。

2.3 机加工

机械切削分为粗加工和精加工，所有的加工过程应尽可能在最终热处理之前完成，在机加工期间严禁使用含卤族或含有低熔点化合物的冷却润滑液，不允许由于加工不好导致机加工表面过热而变色。

监造中必须重点检查是否按照机加工工艺规程执行。此外，严禁使用含卤族或含有低熔点化合物的冷却润滑液。

2.4 热处理

按照ITER采购协议要求，材料须经固溶处理(1 050～1 150 ℃)，随后水冷淬火以满足ASTM45[6]，ASTM112要求的性能。材料在固溶温度下应保持合适的时间。热处理相关参数（温度、保温时间等）应包含在生产过程认证中。

监造中须确保供货为固溶热处理状态，且按要求水冷淬火。监造中须检查：热处理炉操作人员的资格是否适用、有效；记录仪、热电偶是否已检验且合格，并在有效期内；热电偶固定的方式、数量和固定位置；热处理升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度是否满足工艺规程的要求；热处理后的锻件标记位置、内容是否正确、清楚。督促厂家严格按照热处理工艺规程执行，确保控制加热温度、速度和时间，升温及淬火时快速通过其敏化温度区间。要求下料时材料装炉时堆放好，热电偶能准确测量材料实际温度和炉膛温度，以便准确达到每一火次的变形方向和变形量。当材料实际温度不够或与炉膛温度偏差很大时，应调整装炉或保温时的温度、时间。温度记录曲线、加热和冷却方法应体现在最终完工报告中。

2.5 磨削加工及最终表面要求

工件应在固溶处理前进行粗抛磨，在固溶处理后进行精抛磨加工。所有磨削砂粒必须是新的或者之前只是用于奥氏体不锈钢材料的。磨削和抛光加工时应严格控制打磨速度，防止工件过热（引起材料温度达到敏化温度）或工件表面冷作硬化。

如果是在最终固溶热处理之后进行磨削加工，则最终抛光应采用粒径细小的砂粒进行打磨，最终表面光洁度达到设计要求。

3 成品分析

制造厂在固溶热处理后需取样，对成品进行化学成分分析。

监造时应要求制造方提供316LN不锈钢锻件制备的样品，成品成分取样应从成品两侧边沿1/4和1/2厚度处选取。成品分析公差应满足ASTM A484M[7]标准中具体材料规范的要求和其他设计规范附加要求。同时，制造厂商还须按照技术规范要求，测试316LN不锈钢锻件在各项要求下的技术指标，并提供4 K、77 K和300 K下相关性能测试的数据。

冶炼的316LN不锈钢化学成份分析结果，符合ITER对材料化学成份的要求。锻件的组织及夹杂物测试结果表明，锻件中心无疏松，φ2 mm平底孔超声波探伤合格，夹杂物满足ITER要求。

4 力学性能和金相试验要求

4.1 试验方法和取样位置

试验方法、试样的位置及取样方向应符合ASME Section Ⅲ NB-2000要求，与产品的几何轴向、径向和切向相关的抗拉特性、金相、晶粒度、腐蚀试验应按设计要求切去试样。监造时应从同批次材料中取一个成品，在成品横向方向上沿两侧1/4和1/2厚度处取样。

4.2 试验类型和试样数量

常温拉伸试验取样数量及取样位置应能覆盖力学试验的全部要求。此外，还应进行如下试验取样，如金相组织、晶粒度、碳化物分布、敏化和腐蚀试验、化学分析、硬度测量等。金相试验涵盖最终产品内表面和外表面，其中硬度测量应在最终表面上进行，腐蚀试验应位于距离外表面1/4处，冷作表面应做径向截面的金相结构检查。

4.3 拉伸试验及低温力学性能测试

材料供货商应按照标准ASTM A370在室温下进行拉伸性能测试（见表1）。锻件样品抽样结果符合低温下相应的材料力学性能测试结果，参照标准ASTM E1450[8]。

对316LN材料进行拉伸性能测试，测试方法将按照标准ASTM A370[9]标准执行。

由于ITER磁体支撑结构需要工作在超低温状态下，技术协议中对77 K和4 K下低温力学性能测试明确要求，试样在室温、4 K、77 K温度下机械性能测试结果如表1所示，满足技术要求。

4.4 机械性能外的其他性能

材料供货商应完成材料微观、宏观组织观察、晶粒尺寸测量、磁导率测量、非金属夹杂物及δ铁素体含量并满足要求。

316LN大锻件材料性能测试结果为：微观组织均为奥氏体组织，未见碳化物、氮化物和δ相；晶粒尺寸均为3.5级，小于2级要求，如图2所示，磁导率为1.003，小于1.05要求，非金属夹杂在大于1.5视场级别下，A、B、C和D粗系、细系夹杂物均未发现，满足A、B、C和D类夹杂物不超过2号范围要求。δ铁素体含量200倍下未见铁素体，满足小于 0.8%的要求。

表1 室温、4 K、77 K温度下机械性能测试结果Table1 Mechenical performance testing results at room temperature,4 K,and 77 K

图 2 316LN大锻件晶粒度Fig.2 Grain size of 316LN forgings（a）晶粒度2级；（b）晶粒度3级

5 NDE检测

316LN不锈钢大锻件的无损检测，主要采用液体渗透法和超声波检测两种方法。其中PT探伤监造时要求，所有可触及的表面PT检查须按ASME锅炉和压力容器法规第Ⅲ卷的验收标准进行。监造时还须重点关注PT测试时机是否合适，检测试剂是否满足核电用化学成分要求，检测人员是否持核安全局颁发证书，操作是否规范等其他要求。UT探伤监造时要求参照标准ASME Section V，按照直探法和斜探法两种方法进行超声波探伤。要求制造厂商在检查和验收之前须提交详细的NDE程序供采购方批准，程序应包含探伤基本参数、手法、顺序以及探伤方法等，另外还应包括设备标定和验收的标准。

实际上，由于锻件厚度达500 mm，无损检测难度很大。一般无损检测，特别是常用于检测锻件内部的超声波无损检测（UT），能够很好地检测到锻件内部缺陷（如缩孔、白点、芯部裂纹、夹渣等）。但是对于500 mm的超厚工件，超声波检测时，超声波探伤波形衰减比较严重，不能真实有效地反映锻件内部缺陷。因此，超厚锻件的超声波检测采用了更多的检测手段，比如对比试块，超声波检测频率，超声波检测方法的选择等。在PF大锻件采用超声探伤进行无损检测时，采用了低频率探头和大晶片尺寸探头解决波形衰减严重的问题；且在超声波斜探头扫查时采用从相互垂直的两个方向进行，解决了斜探头能量弱造成的扫查区域有限的问题。

监造时，根据大尺寸锻件的实际厚度，严格执行标准液体渗透检测和超声波检测规程，所有检测结果均满足ITER磁体支撑结构对大锻件的缺陷要求。

6 尺寸和清洁度检查

监造时，清洁和包装须在无尘车间进行。锻件的包装应按照ASTM A700要求，以保护在运输途中表面状态和平整性不受影响。所有成品应由材料供货商和核工业西南物理研究院认可后，共同标记。采用压盖认证标记（通过压印或其他方式），标记应包含以下内容：生产商名称和商标；炉号和批次编号；生产商资质证书；材料和ITER等级。

7 完工报告

PF支撑结构大锻件在制造完工后应编制详细的完工报告，包括但不限于以下内容：

1）设计文件（含设计变更文件）。

2）材料质量认证报告：含取样位置图、化学成分分析结果、材料质量证明；采购订单号；适用标准；鉴定符号；生产商名称和商标；材料和ITER等级；炉号和批次编号；热处理参数；化学分析；冶金性能；机械性能；超声检测和/或渗透剂测试；磁导率；外观检查；尺寸检查（包括试样）；NDE检测报告；质量计划；不符合项报告（若存在）。

3）UT标定试块证书。

4）最终尺寸检查报告。

5）产品清洁度报告。

6）标识报告。

7）无损检测规程及人员资质。

8）机加工后产品图纸。

9）生产过程中的进展文档：质量保证和控制工序并附使用标准；铸锭的几何图纸（包括尺寸、场所等）；锻造和热轧工艺并附工程图、场所；热处理工艺并附环境、场所；机加工和最后工序和场所；检查和测试工序并附适用标准和场所。

10）生产记录，指根据实际操作修改的生产过程认证记录，附生产工序相关示意图。

8 结论

本项目通过选用ITER磁体支撑项目中的大锻件作为研发对象，采用整体锻造技术，设计寿命30年，技术要求高，制造难度大，且处于首次国产化试制阶段，要求监造人员熟悉标准，必须严格控制制造工艺，加强制造过程的质量控制，确保支撑结构部件的制造质量，满足设计要求。必要时还须对制造过程中出现的问题进行分类、汇总和分析，尽可能减少人因失误的发生，避免同类问题再现。

监造过程中，通过对316LN大锻件钢锭材料成分的控制，材料性能和微观组织的研究，选用合适的锻造工艺和无损检测方法，完成了316LN大锻件的生产和检测，其相关的检测和试验结果均满足ITER技术要求。取样结果表明，材料化学成分，机械性能（室温和低温），微观组织等均满足ITER的要求，尤其是大锻件的晶粒度达到了2级或以上。

[1] Liaomin，Lipengyuan，Houbing，etc. Prototype Engineering Test Platform of ITER Magnet Gravity support，Plasma Science and Technology，No.2，Feb，2013，Vol，15：192-195.

[2] 廖敏，李鹏远，侯炳林，等. 中国核科学技术进展报告（第二卷），大型脉冲复杂受力工程测试系统的控制与测量方法研究[J]，2011.10：117-121.（LIAO Min, LI Peng-yuan, HOU Bing-lin, et al. China’s Scientific and Technological Progress Report (Vol. 2), Study on the control and measuring method for large-scale impulse complex stress engineering test system[J], 2011.10：117-121.）

[3] 罗德隆，主编. 国际大科学工程ITER计划外部审核管理[M]. 北京：科学技术文献出版社.（LUO De-long, editor-in-chief. External audit and management for large international project ITER [M]. Beijing: Science and Technology Literature Publishing House[M]. Beijing：Science and Technology Literature Press）

[4] ASTM A751 Test Methods，Practices，and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products.

[5] ASTM E112-96 (2004)e1. Standard method for determining average grain size.

[6] ASTM E45-05 (2005). Standard practice for determining the inclusion content of steel.

[7] ASTM A484/A484 M. Standard Specification for General Requirements for Stainless Steel Bars，Billets，and Forgings.

[8] ASTM E1450. Standard Test Method for Tension Testing of Structural Alloys in Liquid Helium.

[9] ASTM A370. Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products.

The Main Surveillance Point of ITER PF Support

LIAO-Min1，LI Peng-yuan1，KANG Dao-an1，ZHANG ling2
(1.Southwestern Institute of Physics，Chengdu of Sichuan Prov. 610041，China；2.Guizhou Aerospace XinLi Casting & Forging Co.，Ltd. Zunyi of Guizhou Prov. 563000，China)

ITER PF contains not only the PF U box but also the super long and thick forgings. The structure is manufactured for the first time in the project by using stainless austentic steel integral forging technology, which is different from the traditional centrifugal casting technology. It has the following characteristics: smelting and forging with strict requirements, long machining time, complex bending techniques. Compared to the original multi-pass welding deformation risks, taking Austenitic stainless steel forging technology make ensure the following technical requirements of ITER, such as 316LN large forging steel ingot material chemical composition, mechanical properties (temperature and low temperature), microstructure etc. At the same time the final product could effectively ensure assembly precision non-destructive testing and other quality requirements of products.In this paper, the key quality control and supervision points in the manufacturing process are provided based on technical summary.

ITER；stainless steel；forging；surveillance

TL37 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)03-0234-06

TL37

A

1674-1617(2014)03-0234-06

2014-07-22

廖 敏（1976—）,女，四川成都人，博士研究生，高级工程师，从事ITER磁体支撑质量监造管理工作。