作者:沈春蕾 刘妍 来源:中国科学报 发布时间:2020/12/24 21:42:41
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十年磨练 护航探月

 

地面存放环境中的大气腐蚀、近地轨道附近原子氧的侵蚀、宇宙射线对涂层材料的破坏、太空中交变温度的影响……航天材料在研制过程中需要考虑这些复杂的腐蚀因素。

日前,《中国科学报》从中国科学院金属研究所(以下简称金属所)获悉,该所研制的腐蚀防控核心技术已经应用于“嫦娥五号”探测器上的镁合金天线接收器外壳,以及执行此次发射任务的长征五号运载火箭上的镁质惯组支架上。

中国科学院沈阳分院院长、国家金属腐蚀控制工程技术研究中心主任韩恩厚是该项技术的主要完成人,他带领团队攻克了传统镁合金防护涂层无法同时满足防腐和导电的难题,并研制出镁合金表面防腐导电功能一体化涂层,该技术在2010年最早应用于“嫦娥三号”。在随后的10年时间里,韩恩厚团队不断打磨技术,多次为我国的探月工程保驾护航。

面向航天 储备技术

减重对航天器至关重要。镁合金因其比重极轻并且资源丰富,成为减重常用材料,但其本身又极易被腐蚀,这也为应用提出了一道难题。

2010年4月,韩恩厚团队初次接触“嫦娥三号”项目,此前团队已经在镁合金导电涂层的相关工艺领域拥有一定的技术储备。

现任金属所镁合金防护组组长宋影伟是韩恩厚的学生,她在博士期间针对AZ91镁合金化学镀及纳米化学复合镀开展了历时3年的研究,最终在小面积实验试片上制备出均匀、致密且与镁基体结合紧密的导电镀层。

“该镀层在耐磨性及耐蚀性方面远超传统Ni-P镀层。”宋影伟告诉《中国科学报》,“但当时的工艺仍处于实验室阶段,处理的样品尺寸较小,形状构造简单,我们缺乏对大尺寸、复杂结构镁合金产品的生产经验。”

随后,在韩恩厚和金属所研究员单大勇带领下,团队与航天企业开展项目合作,也正式开启了实验室技术的航天应用之旅。

“在读硕士研究生时,我就和腐蚀防控结下了不解之缘,如今在这个领域已经有30多年积淀。”韩恩厚表示,自己的科研生涯基本都与腐蚀科学与工程相关,也希望能够通过腐蚀防控技术服务于国家重大工程实施。

直击挑战 攻坚克难

早在“神舟五号”发射测试阶段,韩恩厚与单大勇就发现镁合金在航天应用中存在的问题,如镁合金基体在大气环境中表面会迅速形成一层自然氧化膜,但这层膜缺陷多,不致密,无法起到防护作用。

韩恩厚向《中国科学报》介绍:“如果采用化学转化膜或微弧氧化这些常用的防腐技术对镁合金进行表面处理,膜层是绝缘的,无法满足导电性的要求。”

如何才能实现镁合金表面既导电,又具备优异的电磁屏蔽效果呢?韩恩厚表示,采用导电的金属镀层是解决这一问题的有效措施,但实际应用中还需要综合考虑工程材料复杂的结构,镀层的结合力,以及金属镀层防腐存在的电偶腐蚀风险。由于镁合金化学活性高,常用的金属镀层为镍、铜、铬等。

新的问题也随之出现。一方面镁与这些金属镀层的物理性质差异大,导致镀层的结合力差;另一方面,这些金属镀层都是阴极性镀层,一旦镀层局部存在微小的缺陷,在腐蚀介质的作用下,将导致严重的电偶腐蚀,镁基材将很快失效,比没有镀层的情况的腐蚀速率高很多。

另外,实际部件结构复杂,边角、凹槽、孔隙等都是极易产生缺陷的位置,如处理不当,将造成部件的加速失效,因此镁合金表面镀覆金属镀层有很大的腐蚀风险,要求镀层结合力好、且没有缺陷。这在此给科研人员提出新的挑战。

针对以上问题,韩恩厚带领科研团队攻坚克难,在基础研究基础上,通过不断实践尝试和生产工艺优化,终于找到了解决方法。科研团队决定采用化学镀镍的表面处理技术。通过恰当的预处理方法,使得镀层在镁合金基体上起到‘钉扎’效应,解决了镀层结合力差的难题。同时团队采用多层镀的方法,如果底层镀层中存在缺陷,接下来的镀层可以把先前的缺陷覆盖上,这样避免贯穿缺陷的存在,最终在镁合金表面沉积一层具有良好结合力、耐蚀、导电性的金属镀层。”

从实验室的制备工艺向实际生产的转变过程中,还面临着许多意想不到的困难。比如,生产过程中,镁基体面积增大会加快成膜反应速率,不仅对镀层结合性能造成影响,同时也会降低镀液的稳定性。

如何在大面积、复杂工件表面均匀沉积金属镀层也是一大难点。韩恩厚团队对镀液的特性进行了系统研究,并建立镀液使用控制规范,不但可以提高镀液的利用率,而且能保持镀层质量的稳定性,最终实现既能满足任务需求的导电性镀层,又能提供更优异的电磁屏蔽效果,已在嫦娥系列数百个镁合金部件上实现应用。

除了导电镀层外,韩恩厚团队还针对耐蚀性要求更高的领域,发展了镁合金自封孔型微弧氧化技术,耐蚀性比传统技术提高4-5倍,可同时满足地面储存耐腐蚀、在太空使用时抗高低温、强辐射等综合性能要求,长征系列运载火箭的成功发射也证明了以上防护涂层技术的安全可靠性和先进性。

技术革新 任重道远

在“嫦娥五号”之前,我国的探月探测器均在西昌卫星发射中心进行发射。“嫦娥五号”的发射场地在海南文昌,这里地处于热带海洋性气候带,具有高温、高湿、高盐的特点,这样的环境将加速材料的腐蚀失效进程。

据悉,所有文昌发射的航天部件需要经历长达五到七天的海上运输,且一般需要存放一段时间后才能正式发射,较长的储存期间将对航天材料的耐腐蚀性能带来的新考验。

环境的变化也催生了技术的变革,韩恩厚团队从镀液组分、预处理状态、化学镀工艺步骤及后处理参数等工序进行大量系统的尝试及优化,并对凹槽、孔隙等特殊位置的细节处理进行针对性改进,最终研制出了满足新环境的镁合金防腐导电性镀层。

从“嫦娥三号”到“嫦娥五号”,以及“长征”系列运载火箭,韩恩厚团队在探月工程中发挥着重要作用。韩恩厚也因此获得“探月工程嫦娥四号任务突出贡献者”奖励。

他表示,镁合金导电性镀层还可以应用在更多航天器的集成电路板外壳、天线接收器外壳的功能性表面处理上。对于需要更长时间在海洋环境使用的镁合金部件,现阶段的镁合金导电镀层防腐效果仍有较高提升空间,镁合金表面防护工作也任重而道远。

 
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