原子氧對厚壁不銹鋼管的影響

發布時間：2020-05-24 14:41:55 丨 瀏覽次數：

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。研究了樣品質量、光學性能、接觸角、耐磨性和耐腐蝕性隨輻照時間的變化。結果原子氧輻照后，厚壁不銹鋼管表面形成的氧化物質量增加。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。原子氧效應導致厚壁不銹鋼管的接觸角增大，耐磨性提高，耐腐蝕性降低。結論獲得的厚壁不銹鋼管原子氧環境效應數據可為其在低軌航天器中的應用提供理論依據。

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境中大氣的主要成分，是由氧分子在太陽輻射的光誘導分解下產生的。原子氧和航天器材料之間的相互作用會導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行。自20世紀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開展了廣泛的空間運載實驗，并進行了地面模擬實驗，積累了大量關于空間材料原子氧效應的實驗數據。結果表明，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，國內外關于原子氧對厚壁不銹鋼管影響的數據很少。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進行深入研究。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，為航天器空間環境效應防護設計提供技術支持。

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備上進行的。射頻源原子氧裝置由進氣口、水冷系統、應時玻璃管、接線電極、感應線圈等部分組成。其原理是通過射頻感應耦合放電電離進入應時玻璃管中的氧，在真空室[11中產生均勻的大流量氧等離子體。這種設備是最簡單類型的原子氧地面模擬設備，即氧等離子體設備[12]。它不追求光束的質量，而是產生大通量、低能量的原子氧束。該束用于對材料進行加速輻照試驗，以獲得原子氧和材料之間相互作用的數據。文獻[13]表明，由這種設備產生的氧等離子體的主要成分是中性原子氧。因此，該設備溫州不銹鋼管可用于進行原子氧地面模擬試驗，以描述原子氧對材料的損傷效應和材料對原子氧剝蝕的抵抗力。具體測試參數見表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量；使用美國Perkin-Elmer公司生產的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的SL200ABD接觸角測量儀測量

2.1質量損失

厚壁不銹鋼管在有氧環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，厚壁不銹鋼管的質量變化不大。氧化膜的厚度與曝光時間和環境溫度速率等因素密切相關。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量變化。從圖1可以看出，原子氧照射后樣品的質量增加，照射時間越長，質量增加越明顯。分析表明，這是由于原子氧與厚壁不銹鋼管表面發生氧化反應生成氧化物。隨著輻照時間的延長，生成越來越多的氧化物，質量增加也越來越大。說明在實驗條件下，原子氧對厚壁不銹鋼管樣品的影響處于快速氧化階段。