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原子氧對厚壁不銹鋼管的影響

發(fā)布時間：2020-05-24 14:41:55 丨 瀏覽次數(shù)：

研究了空間原子氧輻照對厚壁不銹鋼管性能的影響。方法用原子氧束照射厚壁不銹鋼管樣品，束密度為2.5 1016原子/(cm2s)，最長照射時間為300分鐘。研究了樣品質(zhì)量、光學(xué)性能、接觸角、耐磨性和耐腐蝕性隨輻照時間的變化。結(jié)果原子氧輻照后，厚壁不銹鋼管表面形成的氧化物質(zhì)量增加。隨著輻照時間的增加，樣品的光譜反射率降低，太陽吸收率增加。原子氧效應(yīng)導(dǎo)致厚壁不銹鋼管的接觸角增大，耐磨性提高，耐腐蝕性降低。結(jié)論獲得的厚壁不銹鋼管原子氧環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)可為其在低軌航天器中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

低地軌道(LEO)是指距離地球表面200 ~ 700公里的軌道空間。原子氧是低地球軌道環(huán)境中大氣的主要成分，是由氧分子在太陽輻射的光誘導(dǎo)分解下產(chǎn)生的。原子氧和航天器材料之間的相互作用會導(dǎo)致材料的剝蝕和材料性能的退化，從而影響航天器的正常運(yùn)行。自20世紀(jì)80年代以來，美國航天局(美國航天局)、歐空局等人借助空間站和航天飛機(jī)開展了廣泛的空間運(yùn)載實(shí)驗，并進(jìn)行了地面模擬實(shí)驗，積累了大量關(guān)于空間材料原子氧效應(yīng)的實(shí)驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，原子氧是低軌航天器材料失效的主要原因。

厚壁不銹鋼管是航天領(lǐng)域常用的材料之一。它具有高耐蝕性[5-9]，高塑性和良好的焊接性能[10]。目前，國內(nèi)外關(guān)于原子氧對厚壁不銹鋼管影響的數(shù)據(jù)很少。為了保證航天專用厚壁不銹鋼管的可靠性，有必要對厚壁不銹鋼管的原子氧效應(yīng)進(jìn)行深入研究。因此，以201型普通奧氏體厚壁不銹鋼管(牌號。以1Cr17Mn6Ni5N為例，研究了原子氧對厚壁不銹鋼管性能的影響，為航天器空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)設(shè)計提供技術(shù)支持。

1測試方法

原子氧輻照試驗是在射頻源原子氧地面模擬設(shè)備上進(jìn)行的。射頻源原子氧裝置由進(jìn)氣口、水冷系統(tǒng)、應(yīng)時玻璃管、接線電極、感應(yīng)線圈等部分組成。其原理是通過射頻感應(yīng)耦合放電電離進(jìn)入應(yīng)時玻璃管中的氧，在真空室[11中產(chǎn)生均勻的大流量氧等離子體。這種設(shè)備是最簡單類型的原子氧地面模擬設(shè)備，即氧等離子體設(shè)備[12]。它不追求光束的質(zhì)量，而是產(chǎn)生大通量、低能量的原子氧束。該束用于對材料進(jìn)行加速輻照試驗，以獲得原子氧和材料之間相互作用的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[13]表明，由這種設(shè)備產(chǎn)生的氧等離子體的主要成分是中性原子氧。因此，該設(shè)備溫州不銹鋼管可用于進(jìn)行原子氧地面模擬試驗，以描述原子氧對材料的損傷效應(yīng)和材料對原子氧剝蝕的抵抗力。具體測試參數(shù)見表1。試驗材料為1Cr  17 Mn  6 Ni5N  厚壁不銹鋼管，試樣尺寸為40 mm 30 mm 1 mm。原子氧輻照試驗前，所有試樣在無水乙醇中超聲清洗20min，去除試樣表面污染物，然后進(jìn)行初步性能試驗。

用賽多利斯， 德國MC21S高精度電子天平稱量樣品質(zhì)量；使用美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的Lambda950紫外-可見-近紅外分光光度計304不銹鋼管(紫外/可見/近紅外分光光度計)測試原子氧輻照前后樣品的光譜反射率，并根據(jù)光譜反射率計算太陽吸收率。樣品的接觸角用上海梭倫公司生產(chǎn)的SL200ABD接觸角測量儀測量

2.1質(zhì)量損失

厚壁不銹鋼管在有氧環(huán)境下的氧化一般分為兩個階段。第一階段是快速氧化階段。在此過程中，厚壁不銹鋼管表面將形成鈍化和致密的富鉻氧化物，這將迅速提高厚壁不銹鋼管的質(zhì)量。第二階段是緩慢氧化階段。在前一階段形成的氧化物減緩了隨后的氧化過程，直到完全停止。在此過程中，厚壁不銹鋼管的質(zhì)量變化不大。氧化膜的厚度與曝光時間和環(huán)境溫度速率等因素密切相關(guān)。通常，溫度越高，時間越長，氧化膜的厚度越大。

顯示了不同時間如圖1原子氧輻照前后厚壁不銹鋼管的質(zhì)量變化。從圖1可以看出，原子氧照射后樣品的質(zhì)量增加，照射時間越長，質(zhì)量增加越明顯。分析表明，這是由于原子氧與厚壁不銹鋼管表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化物。隨著輻照時間的延長，生成越來越多的氧化物，質(zhì)量增加也越來越大。說明在實(shí)驗條件下，原子氧對厚壁不銹鋼管樣品的影響處于快速氧化階段。