地面存放環(huán)境中的大氣腐蝕、近地軌道附近原子氧的侵蝕、宇宙射線對涂層材料的破壞、太空中交變溫度的影響……航天材料在研制過程中需要考慮這些復雜的腐蝕因素。
日前，《中國科學報》從中國科學院金屬研究所（以下簡稱金屬所）獲悉，該所研制的腐蝕防控核心技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于“嫦娥五號”探測器上的鎂合金天線接收器外殼，以及執(zhí)行此次發(fā)射任務(wù)的長征五號運載火箭上的鎂質(zhì)慣組支架上。
中國科學院沈陽分院院長、國家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任韓恩厚是該項技術(shù)的主要完成人，他帶領(lǐng)團隊攻克了傳統(tǒng)鎂合金防護涂層無法同時滿足防腐和導電的難題，并研制出鎂合金表面防腐導電功能一體化涂層，該技術(shù)在2010年最早應(yīng)用于“嫦娥三號”。在隨后的10年時間里，韓恩厚團隊不斷打磨技術(shù)，多次為我國的探月工程保駕護航。
面向航天 儲備技術(shù)
減重對航天器至關(guān)重要。鎂合金因其比重極輕并且資源豐富，成為減重常用材料，但其本身又極易被腐蝕，這也為應(yīng)用提出了一道難題。
2010年4月，韓恩厚團隊初次接觸“嫦娥三號”項目，此前團隊已經(jīng)在鎂合金導電涂層的相關(guān)工藝領(lǐng)域擁有一定的技術(shù)儲備。
現(xiàn)任金屬所鎂合金防護組組長宋影偉是韓恩厚的學生，她在博士期間針對AZ91鎂合金化學鍍及納米化學復合鍍開展了歷時3年的研究，最終在小面積實驗試片上制備出均勻、致密且與鎂基體結(jié)合緊密的導電鍍層。
“該鍍層在耐磨性及耐蝕性方面遠超傳統(tǒng)Ni-P鍍層。”宋影偉告訴《中國科學報》，“但當時的工藝仍處于實驗室階段，處理的樣品尺寸較小，形狀構(gòu)造簡單，我們?nèi)狈Υ蟪叽纭碗s結(jié)構(gòu)鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗。”
隨后，在韓恩厚和金屬所研究員單大勇帶領(lǐng)下，團隊與航天企業(yè)開展項目合作，也正式開啟了實驗室技術(shù)的航天應(yīng)用之旅。
“在讀碩士研究生時，我就和腐蝕防控結(jié)下了不解之緣，如今在這個領(lǐng)域已經(jīng)有30多年積淀。”韓恩厚表示，自己的科研生涯基本都與腐蝕科學與工程相關(guān)，也希望能夠通過腐蝕防控技術(shù)服務(wù)于國家重大工程實施。
直擊挑戰(zhàn) 攻堅克難
早在“神舟五號”發(fā)射測試階段，韓恩厚與單大勇就發(fā)現(xiàn)鎂合金在航天應(yīng)用中存在的問題，如鎂合金基體在大氣環(huán)境中表面會迅速形成一層自然氧化膜，但這層膜缺陷多，不致密，無法起到防護作用。
韓恩厚向《中國科學報》介紹：“如果采用化學轉(zhuǎn)化膜或微弧氧化這些常用的防腐技術(shù)對鎂合金進行表面處理，膜層是絕緣的，無法滿足導電性的要求。”
如何才能實現(xiàn)鎂合金表面既導電，又具備優(yōu)異的電磁屏蔽效果呢？韓恩厚表示，采用導電的金屬鍍層是解決這一問題的有效措施，但實際應(yīng)用中還需要綜合考慮工程材料復雜的結(jié)構(gòu)，鍍層的結(jié)合力，以及金屬鍍層防腐存在的電偶腐蝕風險。由于鎂合金化學活性高，常用的金屬鍍層為鎳、銅、鉻等。
新的問題也隨之出現(xiàn)。一方面鎂與這些金屬鍍層的物理性質(zhì)差異大，導致鍍層的結(jié)合力差；另一方面，這些金屬鍍層都是陰極性鍍層，一旦鍍層局部存在微小的缺陷，在腐蝕介質(zhì)的作用下，將導致嚴重的電偶腐蝕，鎂基材將很快失效，比沒有鍍層的情況的腐蝕速率高很多。
另外，實際部件結(jié)構(gòu)復雜，邊角、凹槽、孔隙等都是極易產(chǎn)生缺陷的位置，如處理不當，將造成部件的加速失效，因此鎂合金表面鍍覆金屬鍍層有很大的腐蝕風險，要求鍍層結(jié)合力好、且沒有缺陷。這在此給科研人員提出新的挑戰(zhàn)。
針對以上問題，韓恩厚帶領(lǐng)科研團隊攻堅克難，在基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)上，通過不斷實踐嘗試和生產(chǎn)工藝優(yōu)化，終于找到了解決方法。科研團隊決定采用化學鍍鎳的表面處理技術(shù)。通過恰當?shù)念A處理方法，使得鍍層在鎂合金基體上起到‘釘扎’效應(yīng)，解決了鍍層結(jié)合力差的難題。同時團隊采用多層鍍的方法，如果底層鍍層中存在缺陷，接下來的鍍層可以把先前的缺陷覆蓋上，這樣避免貫穿缺陷的存在，最終在鎂合金表面沉積一層具有良好結(jié)合力、耐蝕、導電性的金屬鍍層。”
從實驗室的制備工藝向?qū)嶋H生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變過程中，還面臨著許多意想不到的困難。比如，生產(chǎn)過程中，鎂基體面積增大會加快成膜反應(yīng)速率，不僅對鍍層結(jié)合性能造成影響，同時也會降低鍍液的穩(wěn)定性。
如何在大面積、復雜工件表面均勻沉積金屬鍍層也是一大難點。韓恩厚團隊對鍍液的特性進行了系統(tǒng)研究，并建立鍍液使用控制規(guī)范，不但可以提高鍍液的利用率，而且能保持鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定性，最終實現(xiàn)既能滿足任務(wù)需求的導電性鍍層，又能提供更優(yōu)異的電磁屏蔽效果，已在嫦娥系列數(shù)百個鎂合金部件上實現(xiàn)應(yīng)用。
除了導電鍍層外，韓恩厚團隊還針對耐蝕性要求更高的領(lǐng)域，發(fā)展了鎂合金自封孔型微弧氧化技術(shù)，耐蝕性比傳統(tǒng)技術(shù)提高4-5倍，可同時滿足地面儲存耐腐蝕、在太空使用時抗高低溫、強輻射等綜合性能要求，長征系列運載火箭的成功發(fā)射也證明了以上防護涂層技術(shù)的安全可靠性和先進性。
技術(shù)革新 任重道遠
在“嫦娥五號”之前，我國的探月探測器均在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心進行發(fā)射。“嫦娥五號”的發(fā)射場地在海南文昌，這里地處于熱帶海洋性氣候帶，具有高溫、高濕、高鹽的特點，這樣的環(huán)境將加速材料的腐蝕失效進程。
據(jù)悉，所有文昌發(fā)射的航天部件需要經(jīng)歷長達五到七天的海上運輸，且一般需要存放一段時間后才能正式發(fā)射，較長的儲存期間將對航天材料的耐腐蝕性能帶來的新考驗。
環(huán)境的變化也催生了技術(shù)的變革，韓恩厚團隊從鍍液組分、預處理狀態(tài)、化學鍍工藝步驟及后處理參數(shù)等工序進行大量系統(tǒng)的嘗試及優(yōu)化，并對凹槽、孔隙等特殊位置的細節(jié)處理進行針對性改進，最終研制出了滿足新環(huán)境的鎂合金防腐導電性鍍層。
從“嫦娥三號”到“嫦娥五號”，以及“長征”系列運載火箭，韓恩厚團隊在探月工程中發(fā)揮著重要作用。韓恩厚也因此獲得“探月工程嫦娥四號任務(wù)突出貢獻者”獎勵。
他表示，鎂合金導電性鍍層還可以應(yīng)用在更多航天器的集成電路板外殼、天線接收器外殼的功能性表面處理上。對于需要更長時間在海洋環(huán)境使用的鎂合金部件，現(xiàn)階段的鎂合金導電鍍層防腐效果仍有較高提升空間，鎂合金表面防護工作也任重而道遠。
