十年磨一剑 护航“嫦娥奔月”

12月17日,探月工程嫦娥五号返回器成功着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成,我国首次地外天体样品储存、分析和研究相关工作也随之启动。

我们熟知的神舟、天宫、嫦娥等所有航天器都需要考虑使用材料的耐腐蚀问题。航天材料的腐蚀因素较为复杂,包括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,以及太空中交变温度的影响等。应用在“嫦娥五号”探测器上的镁合金天线接收器外壳和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的腐蚀防控核心技术,均由中国科学院金属研究所(以下简称金属所)科研团队研制而成,满足航天装备地面环境及空间环境的复杂综合要求。

该项目负责人、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金属所韩恩厚研究员带领的这支科研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,研制出镁合金表面防腐导电功能一体化涂层,应用于2010年“嫦娥三号”,并致力于技术的不断改进,十年磨一剑,为我国的探月工程保驾护航。

厚积薄发 利刃出鞘

镁合金因为其比重极轻和资源丰富,被视为一种非常有前景的材料。减重对航天器至关重要,甚至以克计算。为了实现减重,在航天器上大量使用轻合金,镁合金成为减重常用材料,但它本身极易被腐蚀,这一直是影响其规模应用的关键技术瓶颈。

2010年4月,团队初次接触“嫦娥三号”项目。当时团队已经具有一定镁合金导电涂层相关工艺的技术储备。中科院金属所镁合金防护组组长宋影伟,在博士期间主要针对AZ91镁合金化学镀及纳米化学复合镀进行了历时3年的研究,在韩恩厚研究员的悉心指导及宋影伟夜以继日的摸索尝试下,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。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,且受限于航天镁合金的应用起步较晚,尚未有对大尺寸,复杂结构镁合金产品的生产经验。韩恩厚研究员、单大勇研究员与航天企业开展项目合作,正式开启了该技术的航天应用之旅。

精雕细琢 打破瓶颈

早在“神舟五号”发射测试阶段,韩恩厚研究员与单大勇研究员就曾了解到镁合金在航天应用中存在的问题,即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。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,由于这类膜层是绝缘的,无法满足导电性的要求。如何实现镁合金表面导电,且具备优异的电磁屏蔽效果是一大问题。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,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。尤其实际部件结构复杂,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,对于科研人员而言也是极大的挑战。

针对以上问题,韩恩厚研究员带领科研团队攻坚克难,终于在基础研究基础上,通过不断的实践尝试和生产工艺优化找到了解决方法,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。

从试验室的制备工艺向实际生产的转变过程中,还面临许多意想不到的困难。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。在腐蚀领域深耕多年的韩恩厚研究员很快发现需要对镀液的特性进行系统研究。通过建立镀液使用控制规范,不但提高了镀液的利用率,且能保持镀层质量的稳定性,最终实现了满足任务需求的导电性镀层,且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。韩恩厚研究员荣获“探月工程嫦娥四号任务突出贡献者”。除了导电镀层外,韩恩厚研究员团队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,已成功在长征系列运载火箭的镁质惯组支架上使用。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。

环境变更 技术革新

与嫦娥系列前三次发射不同,“嫦娥五号”的任务更重、规模更大、难度更高、要解决的科学难题更多。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,但是基于发射效率、安全性及运输便利性考虑,“嫦娥五号”的发射场地在海南文昌,这一环境的变更,为镁合金表面涂层又带来了新的挑战。文昌航天发射基地处于热带海洋性气候带,具有“高温、高湿、高盐”的特点,这种苛刻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极大的考验。环境的变化催生了技术的变革,韩恩厚研究员团队从镀液组分、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。

护航奔月 未来可期

从“嫦娥三号”到“嫦娥五号”,韩恩厚研究员团队的这项技术在探月工程中始终发挥着重要作用。此外,该团队的其他技术也在“长征”系列运载火箭中有所应用,为“嫦娥奔月”保驾护航。而就镁合金导电性镀层而言,因其具有极好的电磁屏蔽性及防腐效果,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。但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,使其适用于更广阔的应用领域,镁合金表面防护工作任重而道远。

十年时间,韩恩厚研究员团队在一层薄薄的涂层上面呕心沥血,用心钻研,为我国探月事业发展提供了保障。韩恩厚研究员团队同许许多多的中国科学家一样,坚守在自己的科研领域不断探索,披荆斩棘,不断为我国科技事业的发展贡献力量!



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