航天装备材料表面处理工艺技术汇总

发表于:2017-12-05 来源:知网
关键词: 航天装备 表面处理

航天装备(如人造卫星、飞船、火箭等)一般要经历地面、发射、飞行、在轨运行等环境过程,所处的空间环境变化剧烈,非常复杂,除受到地面风吹、日晒、雨露、地下潮气和海洋盐雾等影响外,还将承受包括高能电子流、高活性原子氧、太阳紫外照射、温度交变循环、陨石和空间碎片冲击等威胁。所有这些不利因素都对航天装备材料提出了苛刻的要求。

铝、镁等有色金属及其合金具有比重小、比强度高、易成型等优点,大量应用于航空航天领域各类航天器的壳体、蒙皮、精细结构件中,因而成为了主要的航天装备材料。钢材具有较高的强度和优良的机械加工性,其在航天器平台、骨架结构、工装等航天装备中得到了广泛应用。但是,相对于航天装备的服役环境,这些材料则往往显得耐蚀性较低、耐磨性较差,这就极大地限制了其使用寿命和应用范围。因此,如何对这些金属材料进行相应的表面处理,以增强其对环境的适应性和安全性、减少材料腐蚀现象、延长使用寿命,成为拓展此类材料在航天装备中应用的一个重要研究方向 [1] 。

1 常见的航天装备材料表面处理工艺技术

对航天装备材料表面处理的常见工艺方法有:

阳极氧化、微弧氧化、电镀、热喷涂、气相沉积、高能束处理、溶胶 - 凝胶法等。这些处理技术的根本任务都是通过表面处理技术形成新的表面,从而赋予航天器表面材料以新的功能特性。

1.1 阳极氧化处理

阳极氧化处理在铝及铝合金材料中应用最为广泛。将铝及其合金置于硫酸、铬酸、草酸等电解液中作为阳极,在特定条件和外加电流作用下进行电解,使其表面形成氧化物薄膜。此氧化物薄膜改变了铝合金表面状态和性能,可起到表面着色、提高耐腐蚀性 [2] 、增强耐磨性及硬度、保护铝制件表面等作用。

硫酸直流阳极氧化工艺是最常用的阳极氧化处理技术。硫酸直流阳极氧化后,铝制件表面硬度增高、耐磨性与耐腐蚀性能增强。阳极氧化膜薄层中具有大量的微孔,可吸附各种润滑剂,适合制造航天器动力系统气缸或其他耐磨零件;膜微孔吸附能力强,可着色成各种美观艳丽的色彩。

1.2 微弧氧化

微弧氧化技术,又称等离子氧化技术,是指在Al、Mg、Ti、Nb、Zr 等有色金属及其合金表面用等离子体化学和电化学原理原位生长陶瓷质氧化膜的表面处理技术 [3] 。该技术突破了传统阳极氧化的诸多不足之处,通过对工艺过程的控制使金属表面陶瓷化,生成的陶瓷薄膜具有优异的耐磨和耐蚀性能、较高的硬度和绝缘电阻。与其他同类技术相比,膜层的综合性能有了较大提高,且工艺简单、易操作、处理效率高,因而在航天航空领域得到越来越多的应用与发展。

1.3 电镀

电镀处理能够在复杂结构的器件表面形成均匀的涂层,因此在航天装备材料表面防护领域得到了广泛应用。在精密电子器件中,电镀 Au、Ag等金属可得到高可靠的电接点及图形涂层;电镀钨合金层使得服役环境苛刻的航天器能够表面经受 2 000 ℃以上的高温灼烧及射线热腐蚀;电镀技术还能制备使航天装备表面具有磁性或电磁屏蔽等特殊功能的涂层。

1.4 热喷涂

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法,赋予基体表面一些特殊的性能。热喷涂技术应用十分广泛,可制备耐腐蚀、电绝缘、耐磨减摩、抗高温氧化、电磁屏蔽吸收等功能涂层。喷涂层材料可以是金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及复合材料等,广泛应用于航天装备中各类零部件。

1.5 气相沉积

气相沉积是指利用气相中发生的物理化学反应,在材料表面形成具有特种性能的金属或化合物涂层的过程。按照成膜机理,可分为化学气相沉积、物理气相沉积和等离子体气相沉积。

航天装备中的一些微电子芯片、微波元器件常常利用化学气相沉积得到所需沉积薄膜,所涉及的材料大多数为硅、碳纤维、碳纳米纤维、SiO 2 、氮化硅等材料。物理气相沉积技术工艺过程简单,对环境友善、无污染,成膜均匀致密且与基体的结合力强。化学气相沉积速率比较而言不算太高,且参加沉积的反应源和反应后的余气可能易燃、易爆或有毒,因此需要采取防止环境污染的措施;对于零器件局部沉积薄膜亦不如物理气相沉积方便。

1.6 其他表面处理技术

激光束、电子束、等离子束等高能束表面处理技术是近年来发展的一种材料表面处理新技术。该技术特点在于获得高的表面加热、冷却速度,直接把元素注入或熔入材料表面,通过改变材料表面的物理结构或化学组分,使材料的性能得以显著改善和提高。目前,等离子表面处理因其性能的优势已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。

随着表面防护技术的不断发展,航天器表面材料的处理工艺技术也在持续完善与提高。为达到更好的防护效果,出现两种及以上表面处理技术结合的工艺方法,使得表面处理防护效果得到最大化。

2 发展方向

航天装备材料表面处理工艺技术正朝向高效化、低能耗、高性能化方面发展,可归纳为以下方面。

1)针对航天领域的表面处理新手段的研究。不断拓展的深空探测任务使得对航天器、宇航器表面材料要求越来越高,因而也对更高效、高质的表面处理手段提出迫切需求。

2)表面涂层新材料的研究。通过研究开发性能良好的新涂层材料或对现有涂层材料进行改性,得到更致密、耐磨耐蚀、抗辐照性能更佳的涂层结构。

3)对现有表面处理技术的持续改进,不断寻求更有效的改进方法,进一步提高表面处理功效。

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