中國科學院沈陽分院院長、國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心主任、金屬所韓恩厚研究員。中科院沈陽分院 供圖
北京時間12月17日1時59分，探月工程嫦娥五號返回器成功著陸，標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也隨之啟動。
人們熟知的神舟、天宮、嫦娥等所有航天器都需要考慮使用材料的耐腐蝕問題。航天材料的腐蝕因素較為復雜，包括地面存放環境中的大氣腐蝕、近地軌道附近原子氧的侵蝕、宇宙射線對涂層材料的破壞，以及太空中交變溫度的影響等。應用在“嫦娥五號”探測器上的鎂合金天線接收器外殼和執行此次發射任務的長征五號運載火箭上的鎂質慣組支架的腐蝕防控核心技術，均由中國科學院金屬研究所(以下簡稱金屬所)科研團隊研制而成，滿足航天裝備地面環境及空間環境的復雜綜合要求。
該項目負責人、中國科學院沈陽分院院長、國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心主任、金屬所韓恩厚研究員帶領的這支科研團隊攻克了傳統鎂合金防護涂層無法同時滿足防腐和導電的難題，研制出鎂合金表面防腐導電功能一體化涂層，應用于2010年“嫦娥三號”，并致力于技術的不斷改進，十年磨一劍，為我國的探月工程保駕護航。
厚積薄發 利刃出鞘
鎂合金因為其比重極輕和資源豐富，被視為一種非常有前景的材料。減重對航天器至關重要，甚至以克計算。為了實現減重，在航天器上大量使用輕合金，鎂合金成為減重常用材料，但它本身極易被腐蝕，這一直是影響其規模應用的關鍵技術瓶頸。
2010年4月，團隊初次接觸“嫦娥三號”項目。當時團隊已經具有一定鎂合金導電涂層相關工藝的技術儲備。韓恩厚研究員的學生宋影偉（現任中科院金屬所鎂合金防護組組長），在讀博士期間主要針對AZ91鎂合金化學鍍及納米化學復合鍍進行了歷時3年的研究，在韓恩厚研究員的悉心指導及宋影偉夜以繼日的摸索嘗試下，最終在小面積實驗試片上制備出均勻、致密且與鎂基體結合緊密的導電鍍層。該鍍層在耐磨性及耐蝕性方面遠超傳統Ni-P鍍層。但當時的工藝仍處于實驗室階段，處理的樣品尺寸較小，形狀構造簡單，且受限于航天鎂合金的應用起步較晚，尚未有對大尺寸，復雜結構鎂合金產品的生產經驗。韓恩厚研究員、單大勇研究員與航天企業開展項目合作，正式開啟了該技術的航天應用之旅。
“在讀碩士時，我就和腐蝕防控結下了不解之緣，如今在這個領域已經有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，也希望能夠通過腐蝕防控技術服務于國家重大工程實施。
精雕細琢 打破瓶頸
早在“神舟五號”發射測試階段，韓恩厚研究員與單大勇研究員就曾了解到鎂合金在航天應用中存在的問題，即鎂合金基體在大氣環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。如果采用化學轉化膜或微弧氧化這些常用的防腐技術對鎂合金進行表面處理，由于這類膜層是絕緣的，無法滿足導電性的要求。如何實現鎂合金表面導電，且具備優異的電磁屏蔽效果是一大問題。采用導電的金屬鍍層是解決這一問題的有效措施，但實際應用中還需要綜合考慮工程材料復雜的結構，鍍層的結合力，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，一方面鎂與這些金屬鍍層的物理性質差異大，導致鍍層的結合力差；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。尤其實際部件結構復雜，邊角、凹槽、孔隙等都是極易產生缺陷的位置，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，要求鍍層結合力好、且沒有缺陷，對于科研人員而言也是極大的挑戰。
針對以上問題，韓恩厚研究員帶領科研團隊攻堅克難，終于在基礎研究基礎上，通過不斷的實踐嘗試和生產工藝優化找到了解決方法，決定采用化學鍍鎳的表面處理技術。通過恰當的預處理方法使得鍍層在鎂合金基體上起到“釘扎”效應，解決了鍍層結合力差的難題。同時采用多層鍍的方法，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合力、耐蝕、導電性的金屬鍍層。
從試驗室的制備工藝向實際生產的轉變過程中，還面臨許多意想不到的困難。生產過程中，鎂基體面積增大會加快成膜反應速率，不僅對鍍層結合性能造成影響，同時也會降低鍍液的穩定性。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。在腐蝕領域深耕多年的韓恩厚研究員很快發現需要對鍍液的特性進行系統研究。通過建立鍍液使用控制規范，不但提高了鍍液的利用率，且能保持鍍層質量的穩定性，最終實現了滿足任務需求的導電性鍍層，且能提供更優異的電磁屏蔽效果，已在嫦娥系列數百個鎂合金部件上實現應用。韓恩厚研究員榮獲“探月工程嫦娥四號任務突出貢獻者”。除了導電鍍層外，韓恩厚研究員團隊針對耐蝕性要求更高的領域，發展了鎂合金自封孔型微弧氧化技術，耐蝕性比傳統技術提高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，已成功在長征系列運載火箭的鎂質慣組支架上使用。長征系列運載火箭的成功發射也證明了以上防護涂層技術的安全可靠性和先進性。
環境變更 技術革新
與嫦娥系列前三次發射不同，“嫦娥五號”的任務更重、規模更大、難度更高、要解決的科學難題更多。在“嫦娥五號”之前，我國的探月探測器均在西昌衛星發射中心進行發射，但是基于發射效率、安全性及運輸便利性考慮，“嫦娥五號”的發射場地在海南文昌，這一環境的變更，為鎂合金表面涂層又帶來了新的挑戰。文昌航天發射基地處于熱帶海洋性氣候帶，具有“高溫、高濕、高鹽”的特點，這種苛刻的環境將加速材料的腐蝕失效進程。據悉，所有文昌發射的航天部件需要經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射，較長的儲存期間將對航天材料的耐腐蝕性能帶來極大的考驗。環境的變化催生了技術的變革，韓恩厚研究員團隊從鍍液組分、預處理狀態、化學鍍工藝步驟及后處理參數等工序進行大量系統的嘗試及優化，并對凹槽、孔隙等特殊位置的細節處理進行針對性改進，最終研制出了滿足新環境的鎂合金防腐導電性鍍層。
護航奔月 未來可期
從“嫦娥三號”到“嫦娥五號”，韓恩厚研究員團隊的這項技術在探月工程中始終發揮著重要作用。此外，該團隊的其他技術也在“長征”系列運載火箭中有所應用，為“嫦娥奔月”保駕護航。而就鎂合金導電性鍍層而言，因其具有極好的電磁屏蔽性及防腐效果，還可以應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。但對于需要更長時間在海洋環境使用的鎂合金部件，現階段的鎂合金導電鍍層防腐效果仍有較高提升空間，使其適用于更廣闊的應用領域，鎂合金表面防護工作任重而道遠。
十年時間，韓恩厚研究員團隊在一層薄薄的涂層上面嘔心瀝血，用心鉆研，為我國探月事業發展提供了保障。韓恩厚研究員團隊同許許多多的中國科學家一樣，堅守在自己的科研領域不斷探索，披荊斬棘，不斷為我國科技事業的發展貢獻力量！
