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【中国科学报】为“嫦娥”织就“护体羽衣”

2021-01-13 中国科学报 沈春蕾 刘妍
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  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许多复杂的腐蚀因素。

  日前,《中国科学报》从中科院金属研究所(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的镁质惯组支架上。

  在这背后是中科院沈阳分院院长、国家金属腐蚀控制工程技术研究中心主任韩恩厚团队10多年来对技术的不断打磨。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屡次打造“护体羽衣”。

  开启航天应用之旅

  减重对“嫦娥”等航天器至关重要。镁合金因其比重极轻且资源丰富,成为减重常用材料,但其本身又极易被腐蚀,成为其应用的一道难题。

  而韩恩厚团队此前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,因此有望解决这一难题。

  韩恩厚团队成员、现任金属所镁合金防护组组长宋影伟在博士期间针对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此前使用的镀层。”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,缺乏大尺寸、复杂结构镁合金产品的生产经验。”

  随后,在韩恩厚和其团队成员、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,正式开启了实验室技术的航天应用之旅。

  保卫镁合金

  早在“神舟五号”发射测试阶段,韩恩厚与单大勇就发现了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,这层膜缺陷多、不致密,无法起到防护作用。

  “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。”韩恩厚分析道。

  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?采用导电的金属镀层是解决这一问题的有效措施,但韩恩厚表示,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,常用镍、铜、铬等作为金属镀层。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缺陷,在腐蚀介质作用下,将产生严重的电偶腐蚀,镁基材将很快失效,比没有镀层的情况腐蚀速率高很多。

  针对以上问题,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,上面的镀层可以把先前的缺陷覆盖,从而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、耐蚀性、导电性的金属镀层。

  此外,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,最终既能实现满足任务需求的导电性,又能产生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得到应用。

  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。

  因海而变

  与此前的探月探测器不同,“嫦娥五号”的发射场地在海南文昌,这里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,较长的储存期为航天材料的耐腐蚀性能带来新考验。

  环境的变化也催生了技术的变革,韩恩厚团队在镀液组分、预处理状态、化学镀工艺步骤及后处理参数等工序进上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。

  韩恩厚表示,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大提升空间,镁合金表面防护工作任重而道远。

  (原载于《中国科学报》 2021-01-13 第4版 综合)
打印 责任编辑:张芳丹

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