郑莉芳等：Y预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响 ·1519· corrosion.The corrosion rate increases substantially with increasing radiation dose,and y pre-irradiation promotes pitting nucleation and the formation of pitting holes in beryllium in EDM-1.After 2880h of corrosion,the sample not subjected to pre-irradiation exhibits only obvious pitting nuclei,whereas some of the pitting nuclei on the sample subjected to 200 and 100 kGy of pre-irradiation develop pitting holes;the diameter of the pitting holes in the former case is approximately twice that of the pitting holes in the latter case.The larger the radiation dose,the earlier the pitting occurs and the larger the diameter of the corrosion holes.Impurity elements (e.g.,Al, Si,Fe,Cr,and Ti)and S appear in the pitting nuclei and pitting holes.The impurity elements in the beryllium samples are important factors to induce pitting.The chemical reactions of organo-sulfur compounds produce SO and SO,(SO,SO3,and SO)in the pitting holes by physical and chemical adsorption,which promotes the formation and expansion of pitting. KEY WORDS beryllium;y irradiation;corrosion:pitting 铍具有密度小、熔点高、热中子吸收率低而散射 的人身安全造成威胁.面对世界粒子物理研究领域 截面小等优点[)，被广泛应用于粒子物理、航空航 的激烈竞争，我国正在谋划建造亮度更高的环形正 天、战略核能和惯性导航等领域].在粒子物理研 负电子对撞机(CEPC)[B],CEPC中将会有多个铍制 究领域，世界各国均选用铍作为其粒子对撞管一 作的束流管.更高的亮度意味着正负电子对撞时将 束流管的主要制作材料，如新一代北京正负电子对 对铍束流管产生更多的γ辐照，同时相伴而生有更 撞机BEPCⅡ3)]、日本高能加速器的探测器 多热负荷，须有冷却介质对铍束流管进行冲刷冷却， BELE)等.高速运行粒子将对铍束流管产生大量 同时，更高亮度的CEP℃为了降低对撞区物质量，铍 的Y辐照及大量热负荷，长时间、高剂量的辐照会 束流管壁厚将比0.6mm更小.辐照环境下，受流动 使金属产生微观晶体结构缺陷甚至宏观性能变 EDM-1长期冲刷腐蚀后的薄壁被束流管是否会出 迁5-6)，同时，为保证束流管外围探测器的正常粒子现壁面腐蚀、壁厚减薄、强度削弱等缺陷，甚至是否 探测，须有冷却介质对铍束流管进行冷却以实现其 会导致束流管局部腐蚀穿孔泄露或管道承压能力下 外壁温度的稳定)，而冷却介质有可能对铍造成 降、破裂等事故，这将关系到现有BEPCⅡ的正常运 腐蚀. 行和未来CEP℃的安全建设，因此，研究辐照作用下 国内外学者对辐照条件下金属铍的材料性能和 铍在EDM-1管流冲刷条件下的腐蚀性能极为 微观结构变化进行研究，Beeston等[)对中子辐照后 必要 铍的强度和延展性进行研究，发现与未辐照样品相 本文针对铍在BEP℃Ⅱ高能物理实验中的辐照 比，经温度为75℃、注量为2.6×105m-2的中子辐 剂量及未来CEP℃的建设，对铍试样进行100和200 照后，铍的压缩强度增大了约4倍、延展性降低了约kGy的y预辐照，利用管流式实验装置4)]模拟冷却 75%.粟敏等]对中子辐照后的铍构件应力进行研 介质对铍束流管的实际冲刷，研究铍试样的质量、微 究，建立了快中子注入量与热膨胀率、温度之间的关 观形貌及表面成分等变化规律，探索γ预辐照对管 系，通过仿真和实验发现中子辐照使铍构件的内应 流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响. 力明显增大.Zhang等[o]对嬗变产生的H、He等元 素在铍固体内的扩散行为进行研究，发现多个H或 1实验 H原子倾向于在空位处捕获，为空位型缺陷促进气 1.1试样与腐蚀介质 泡形成提供了理论依据. 实验材料为粉末冶金态铍片，执行标准为 我国现运行BEP℃Ⅱ束流管的最小壁厚为0.6 YS41一1992，密度为1.85g·cm-3,化学成分如表1 mm,冷却介质为具有较高比热容和导热系数的一号 所示 电火花加工油(EDM-1),束流管将伴随BEPCⅡ 表1粉末冶金态铍化学成分（质量分数） 继续至少服役十多年，已有研究发现，辐照促进了铍 Table 1 Chemical composition of powder beryllium% 在动态EDM-1中的腐蚀，且不同类型的辐照产生 Fe C Al Cr Si Ti Be 的腐蚀效果不尽相同].日本BELLE第三代铍束 0.6500.1500.0500.0130.0290.0210.021余量 流管的冷却介质为氨气，由于缺少铍受氦气冲刷腐 蚀后适用性和耐久性的研究，曾出现氦气从铍束流 根据《B/T7901一1999金属材料实验室均匀 管冷却通道泄露的现象，最终导致BELLE的停 腐蚀全浸实验方法标准》，在保证最小腐蚀面积的 机山，不仅造成了巨大的经济损失，也对研究人员 基础上设计试样尺寸为27mm×20mm×1mm.试郑莉芳等: 酌 预辐照对管流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄1 中腐蚀性能的影响 corrosion. The corrosion rate increases substantially with increasing radiation dose, and 酌 pre鄄irradiation promotes pitting nucleation and the formation of pitting holes in beryllium in EDM鄄鄄1. After 2880 h of corrosion, the sample not subjected to pre鄄irradiation exhibits only obvious pitting nuclei, whereas some of the pitting nuclei on the sample subjected to 200 and 100 kGy of pre鄄irradiation develop pitting holes; the diameter of the pitting holes in the former case is approximately twice that of the pitting holes in the latter case. The larger the radiation dose, the earlier the pitting occurs and the larger the diameter of the corrosion holes. Impurity elements (e. g. , Al, Si, Fe, Cr, and Ti) and S appear in the pitting nuclei and pitting holes. The impurity elements in the beryllium samples are important factors to induce pitting. The chemical reactions of organo鄄sulfur compounds produce SO2 and SOx(SO2 , SO3 , and SO4 ) in the pitting holes by physical and chemical adsorption, which promotes the formation and expansion of pitting. KEY WORDS beryllium; 酌 irradiation; corrosion; pitting 铍具有密度小、熔点高、热中子吸收率低而散射 截面小等优点[1] ,被广泛应用于粒子物理、航空航 天、战略核能和惯性导航等领域[2] . 在粒子物理研 究领域,世界各国均选用铍作为其粒子对撞管——— 束流管的主要制作材料,如新一代北京正负电子对 撞 机 BEPC II [3] 、 日 本 高 能 加 速 器 的 探 测 器 BELLE [4]等. 高速运行粒子将对铍束流管产生大量 的 酌 辐照及大量热负荷,长时间、高剂量的辐照会 使金属产生微观晶体结构缺陷甚至宏观性能变 迁[5鄄鄄6] ,同时,为保证束流管外围探测器的正常粒子 探测,须有冷却介质对铍束流管进行冷却以实现其 外壁温度的稳定[7] ,而冷却介质有可能对铍造成 腐蚀. 国内外学者对辐照条件下金属铍的材料性能和 微观结构变化进行研究,Beeston 等[8]对中子辐照后 铍的强度和延展性进行研究,发现与未辐照样品相 比,经温度为 75 益 、注量为 2郾 6 伊 10 25 m - 2的中子辐 照后,铍的压缩强度增大了约 4 倍、延展性降低了约 75% . 粟敏等[9]对中子辐照后的铍构件应力进行研 究,建立了快中子注入量与热膨胀率、温度之间的关 系,通过仿真和实验发现中子辐照使铍构件的内应 力明显增大. Zhang 等[10]对嬗变产生的 H、He 等元 素在铍固体内的扩散行为进行研究,发现多个 H 或 He 原子倾向于在空位处捕获,为空位型缺陷促进气 泡形成提供了理论依据. 我国现运行 BEPC II 束流管的最小壁厚为 0郾 6 mm,冷却介质为具有较高比热容和导热系数的一号 电火花加工油(EDM鄄鄄1) [11] ,束流管将伴随 BEPC II 继续至少服役十多年,已有研究发现,辐照促进了铍 在动态 EDM鄄鄄 1 中的腐蚀,且不同类型的辐照产生 的腐蚀效果不尽相同[12] . 日本 BELLE 第三代铍束 流管的冷却介质为氦气,由于缺少铍受氦气冲刷腐 蚀后适用性和耐久性的研究,曾出现氦气从铍束流 管冷却通道泄露的现象,最终导致 BELLE 的 停 机[11] ,不仅造成了巨大的经济损失,也对研究人员 的人身安全造成威胁. 面对世界粒子物理研究领域 的激烈竞争,我国正在谋划建造亮度更高的环形正 负电子对撞机(CEPC) [13] ,CEPC 中将会有多个铍制 作的束流管. 更高的亮度意味着正负电子对撞时将 对铍束流管产生更多的 酌 辐照,同时相伴而生有更 多热负荷,须有冷却介质对铍束流管进行冲刷冷却, 同时,更高亮度的 CEPC 为了降低对撞区物质量,铍 束流管壁厚将比 0郾 6 mm 更小. 辐照环境下,受流动 EDM鄄鄄1 长期冲刷腐蚀后的薄壁铍束流管是否会出 现壁面腐蚀、壁厚减薄、强度削弱等缺陷,甚至是否 会导致束流管局部腐蚀穿孔泄露或管道承压能力下 降、破裂等事故,这将关系到现有 BEPC II 的正常运 行和未来 CEPC 的安全建设,因此,研究辐照作用下 铍在 EDM鄄鄄 1 管 流 冲 刷 条 件 下 的 腐 蚀 性 能 极 为 必要. 本文针对铍在 BEPC II 高能物理实验中的辐照 剂量及未来 CEPC 的建设,对铍试样进行 100 和 200 kGy 的 酌 预辐照,利用管流式实验装置[14] 模拟冷却 介质对铍束流管的实际冲刷,研究铍试样的质量、微 观形貌及表面成分等变化规律,探索 酌 预辐照对管 流冲刷条件下铍在 EDM鄄鄄1 中腐蚀性能的影响. 1 实验 1郾 1 试样与腐蚀介质 实验材 料 为 粉 末 冶 金 态 铍 片, 执 行 标 准 为 YS41—1992,密度为 1郾 85 g·cm - 3 ,化学成分如表 1 所示. 表 1 粉末冶金态铍化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of powder beryllium % O Fe C Al Cr Si Ti Be 0郾 650 0郾 150 0郾 050 0郾 013 0郾 029 0郾 021 0郾 021 余量 根据《 JB / T7901 ― 1999 金属材料实验室均匀 腐蚀全浸实验方法标准》,在保证最小腐蚀面积的 基础上设计试样尺寸为 27 mm 伊 20 mm 伊 1 mm. 试 ·1519·