空間冷焊效應(yīng)的研究進展

蒼悅天，張凱鋒，周暉，萬志華，郝宏，胡漢軍

空間冷焊效應(yīng)的研究進展

蒼悅天，張凱鋒，周暉，萬志華，郝宏，胡漢軍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

綜述了自20世紀60年代以來國內(nèi)外航天機構(gòu)對空間冷焊效應(yīng)的研究成果。首先，從晶體結(jié)構(gòu)與能量角度闡述了空間冷焊效應(yīng)的機理，并討論了表面氧化物、非化學(xué)計量化合物和晶體缺陷在冷焊效應(yīng)中的作用。接著針對冷焊效應(yīng)的主要影響因素，分別從接觸類型、基體材料特性、接觸面積與應(yīng)力等方面進行了深入的分析，具體包括靜載、沖擊和微動3種接觸類型下冷焊效應(yīng)的差異，不同材料對偶間粘著力大小的對比以及接觸面積和應(yīng)力對冷焊效應(yīng)的影響。隨后介紹了國內(nèi)外冷焊效應(yīng)研究設(shè)備概況。在此基礎(chǔ)上，歸納了3種空間活動機構(gòu)常用基體材料（Fe、Al和Ti基金屬材料）的冷焊防護措施，具體包括鍍MoS2、TiC和DLC等涂層以及硬質(zhì)陽極氧化、等離子體電解氧化等處理方法。最后，針對我國目前空間冷焊效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，提出了研究重點與發(fā)展建議。

高真空；空間冷焊；粘著力；微動磨損；冷焊防護

在高真空環(huán)境中，金屬表面吸附層解吸，相互接觸的金屬表面由于粘著力增加或原子相互滲透，使相鄰表面原子鍵發(fā)生結(jié)合，從而致使金屬粘接在一起，這一現(xiàn)象稱為空間冷焊。在地面環(huán)境中，金屬表面的表面層（如氧化層、氮化層等）會阻止冷焊的發(fā)生，且表面層被破壞后，金屬立即與空氣接觸，可重新生成表面層。但是在高真空環(huán)境下，沒有額外的氣體，表面層一旦被破壞，便不能重建，金屬之間會直接接觸，冷焊發(fā)生的幾率大大提高。

自20世紀60年代起，各種在軌空間飛行器日漸增多，空間飛行器的機械結(jié)構(gòu)和服役環(huán)境也日益復(fù)雜，尤其是載人航天任務(wù)對接機構(gòu)與深空探測任務(wù)活動機構(gòu)處于長時間壓緊狀態(tài)，使得一些空間部件發(fā)生粘接、卡滯等故障，從而使各國研究人員開始關(guān)注空間冷焊效應(yīng)。迄今為止，國外關(guān)于空間冷焊效應(yīng)造成航天器異常的公開報道有5起[1-2]?！癝urveyor 1”月球探測器的勢能計活動機構(gòu)因發(fā)生冷焊而滯塞。美國空軍的一顆研究衛(wèi)星在發(fā)射過程中因振動而產(chǎn)生的摩擦使得防冷焊涂層過度磨損，進而發(fā)生冷焊，導(dǎo)致衛(wèi)星入軌后天線未能正常展開?！癎emini 4”艙門鉸鏈因潤滑膜破損，局部發(fā)生冷焊，使艙門在開關(guān)過程中發(fā)生瞬間卡滯。美國空軍“WEST FORD”在試驗任務(wù)中，冷焊造成銅針相互粘結(jié)，導(dǎo)致整個任務(wù)以失敗告終。1989年美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，簡稱NASA）發(fā)射的“伽利略”號木星探測器飛行6 a后入軌，其高增益天線就因為發(fā)生冷焊而打開失敗，最后只能通過通信速率較低的天線傳輸數(shù)據(jù)，使得“伽利略”號的工作效率大幅降低[3]。冷焊效應(yīng)對于在高真空或超高真空環(huán)境中的空間飛行器的正常運行存在巨大風(fēng)險，研究冷焊效應(yīng)對于提高空間飛行器活動機構(gòu)的可靠性和壽命，保證空間飛行器正常服役具有十分重要的意義。

NASA先后發(fā)射了“ERS15”、“ERS16”、“ERS20”、“OV-1-13”等用于空間冷焊效應(yīng)研究的試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星上搭載了不同金屬材料組成的對偶樣品，并且包括了存在相對旋轉(zhuǎn)運動的對偶樣品。之后在1984年發(fā)射的長期暴露裝置（LDEF）上進行了“不同材料的微焊接”飛行試驗研究。這些空間試驗取得了大量數(shù)據(jù)，為地面試驗提供了參考依據(jù)[4]。

Ohno[5]對冷焊的機理研究作出了貢獻，試圖從晶體結(jié)構(gòu)和能量的角度去解釋冷焊現(xiàn)象。Merstallinger等[6-7]從工程應(yīng)用角度對空間冷焊效應(yīng)進行了卓有成效的研究，并建立了供工程師參考的冷焊數(shù)據(jù)庫。本文著重針對空間冷焊效應(yīng)的機理、影響因素、試驗設(shè)備以及幾種常見空間材料的冷焊防護措施等方面進行了綜述，并展望了我國未來空間冷焊效應(yīng)的研究重點。

1 空間冷焊效應(yīng)研究

1.1 冷焊機理

Ohno[5]從非化學(xué)計量氧化物、局部溫度和晶體缺陷等角度研究了金屬表面氧化物間的空間冷焊效應(yīng)機理。他提出的“冷焊的動態(tài)表面狀態(tài)理論”中指出，宏觀上靜止的受載表面，在原子層面則處于動態(tài)。對于2個對偶金屬材料而言，其本質(zhì)是二者表面氧化物的接觸，因此研究冷焊效應(yīng)首先應(yīng)關(guān)注金屬表面的氧化物。外界條件（機械載荷、聲振動、熱振動、太陽輻射等）會使表面氧化物的晶格發(fā)生畸變，所產(chǎn)生的畸變能會促進原子擴散，從而使對偶表面處于動態(tài)，而這一非平衡的狀態(tài)最終會達到平衡。在地面環(huán)境中，充足的氧氣會填充表面氧化物中的陰離子空位，從而形成擴散屏障。在高真空環(huán)境下，沒有額外的氧氣，氧化物中的原子會更容易地擴散到對偶表面中，并建立起新的結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生了空間冷焊效應(yīng)。

Enrlich[8]的研究表明，TiO的分子式會在TiO0.6和TiO1.25之間變化，理想的化學(xué)計量TiO應(yīng)含有15%的陽離子和陰離子空位。在非化學(xué)計量氧化物中，富鈦樣品的陰離子空位較多。反之，富氧樣品的陽離子空位較多。氧化物中氧原子的運動主要受離化態(tài)和空位的影響，在高真空環(huán)境下，表面層中含有較多的陰離子空位，因此氧原子的擴散變得較為容易。

當Mg、Al、Ti等金屬的氧化物互相接觸時，由于原子擴散，其對偶表面可能產(chǎn)生AB2O4這類尖晶石型結(jié)構(gòu)的化合物。例如，MgO和Al2O3接觸會產(chǎn)生化合物MgAl2O4，其晶格結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)中的Al—O和Mg—O均為較強的離子鍵，因此這種化合物結(jié)合牢固，化學(xué)穩(wěn)定性好[9]，在對偶表面一旦產(chǎn)生這一類化合物，冷焊效應(yīng)將會被加強。

圖1 尖晶石MgAl2O4的晶格結(jié)構(gòu)[5]

關(guān)于溫度對冷焊效應(yīng)的影響，除了環(huán)境溫度以外，還應(yīng)該關(guān)注晶體的局部溫度。彈性振動和聲振動等產(chǎn)生的振動能可以產(chǎn)生局部熱量，并導(dǎo)致熱晶格振動。這些熱晶格振動對于電子遷移率有著強烈的影響，并且能夠促進離子擴散，從而加劇冷焊。在很小的面積上施加振動能可以致使瞬間的溫升，使得局部溫度高于環(huán)境溫度。因此，環(huán)境溫度并不總能代表局部區(qū)域的溫度。

位錯與空位和間隙原子的組合對于原子擴散有著重要的影響，它們之間通常依次發(fā)生[10]。一方面，位錯會產(chǎn)生空位，而空位會促進原子擴散；另一方面，過多或過少的空位和間隙原子會產(chǎn)生位錯攀移的驅(qū)動力，而位錯攀移需要通過空位和間隙原子的擴散來完成物質(zhì)遷移。除此之外，相比于沒有位錯的晶體，擁有位錯的晶體生長速度較快，這種晶體生長導(dǎo)致了在粘接處的再結(jié)晶，并加強了粘接區(qū)域。綜上所述，晶體中缺陷的存在會加強冷焊效應(yīng)。

1.2 接觸類型的影響

航天器中一些循環(huán)開合的運動部件通常會在靜載條件下進行地面測試和設(shè)計[11]，但在航天器實際運行中，它們經(jīng)常被施加沖擊力。在火箭發(fā)射等特定階段，這些運動部件又會產(chǎn)生橫向運動，從而處于微動條件下，這種微小的滑移可能導(dǎo)致嚴重的表面破壞[12-14]。因此，不能僅僅考慮靜載條件下材料的空間冷焊效應(yīng)。

Merstallinger等[6]、Moeller等[7]針對靜載、沖擊和微動3種接觸類型下2個接觸表面間的粘著力大?。ǚ从忱浜傅膰乐爻潭龋┻M行了研究。在循環(huán)開合試驗中，2種對偶材料分別是鈦合金IMI834和不銹鋼AISI440C（國內(nèi)牌號9Cr18[15]），試驗結(jié)果如圖2所示。在29 N的靜載荷作用下，材料對偶的粘著力趨近于0；在29 N的沖擊載荷作用下，最大粘著力為0.96 N；而在4 N的微動條件下，最大粘著力達到了9.5 N，約為初始加載的4倍。由此可見，相比于靜載條件，在沖擊和微動條件下，冷焊更容易發(fā)生，并且微動條件下的空間冷焊效應(yīng)尤為嚴重。因此，在考慮冷焊效應(yīng)時，必須重點關(guān)注沖擊和微動這2種接觸類型。

圖2 靜載、沖擊和微動條件下的粘著力大小對比[6]

1.3 材料特性的影響

研究不同材料的冷焊效應(yīng)，首先要建立起標準化的測試方法。歐洲Austrian Research Centre Seibers-dorf（ARCS）制定的測試標準如下[16]：參數(shù)靜載荷和沖擊能的選取與對偶材料的彈性極限有關(guān)；使用赫茲接觸理論來計算接觸應(yīng)力；使用對偶中強度較低材料的屈服強度和Von Mises強度理論[17]定義彈性極限。靜載荷的選擇分為3種，分別是接觸應(yīng)力達到40%、60%和100%彈性極限。沖擊試驗中，真空度應(yīng)小于5×10–6Pa，初始載荷大小為40%彈性極限，在10 000次循環(huán)之后，將載荷大小增加至60%彈性極限，再經(jīng)過5 000次循環(huán)，增加至100%彈性極限。微動試驗中，真空度應(yīng)小于5×10–5Pa，載荷的大小為60%彈性極限，循環(huán)次數(shù)為5 000。測試前，試件表面的粗糙度0.1 μm，每次接觸和分離的時間為10 s。

Merstallinger等[18]選取了一些常見的空間材料來進行測試，包括17-7PH不銹鋼（國內(nèi)牌號07Cr-17Ni7Al）、AISI52100軸承鋼（國內(nèi)牌號GCr15）、IMI834、Ti6Al4V（國內(nèi)牌號TC4）鈦合金和7075鋁合金等。沖擊試驗的數(shù)據(jù)來源于載荷為100%彈性極限的情況，微動試驗的數(shù)據(jù)來源于載荷為60%彈性極限的情況，具體如圖3和圖4所示。在沖擊試驗中，17-7PH不銹鋼（1 552 mN）和7075鋁合金（1 775 mN）與自身的對偶表現(xiàn)出了較大的粘著力，而AISI52100軸承鋼的粘著力幾乎為0（93 mN），Ti6Al4V鈦合金的粘著力介于它們之間（575 mN）。17-7PH不銹鋼與AISI52100或AISI440C軸承鋼對偶時，粘著力大幅降低。由此可見，混合使用不同種鋼材可以降低粘著力。

微動條件下的試驗結(jié)果如圖5所示（紅色為沖擊條件下的試驗數(shù)據(jù)，白色為微動條件下的試驗數(shù)據(jù)）。相比于沖擊試驗的數(shù)據(jù)，微動條件下各種材料對偶的粘著力顯著增大。例如，在沖擊條件下，17-7PH不銹鋼（SS17）與自身對偶的粘著力為1 552 mN，而在微動條件下增大至13 359 mN，約為前者的10倍。Inconel 718鎳合金（國內(nèi)相近牌號GH4169）表現(xiàn)出了最大的粘著力（18 958 mN），聚合物VESPEL SP3（含有質(zhì)量分數(shù)為15% MoS2的熱固性聚酰亞胺）和17-7PH不銹鋼的對偶沒有發(fā)生冷焊。此試驗數(shù)據(jù)也證明了微動條件下的冷焊效應(yīng)更為嚴重。

圖3 在沖擊條件下一些材料與自身對偶的粘著力[6]

圖4 在沖擊條件下一些鋼材和鎳合金與自身對偶的粘著力[6]

圖5 在沖擊和微動條件下一些材料的粘著力對比[6]

Persson等[19]在研究不同材料與高速鋼對偶的粘著力時，發(fā)現(xiàn)其大小與材料的鎳含量有關(guān)，Mers-tal-lin-ger等[6]的試驗數(shù)據(jù)也支持這一觀點。不同鎳含量的金屬在2種條件下的粘著力如圖6所示。粘著力最大的Inconel 718鎳合金中，鎳的質(zhì)量分數(shù)為52%，粘著力較高的17-7PH和AISI316L不銹鋼中，鎳的質(zhì)量分數(shù)分別為7%和11%，粘著力很低的軸承鋼AISI52100和AISI440C（國內(nèi)牌號022Cr17Ni12Mo2）的鎳含量為0。因此，Merstallinger等[6]認為粘著力隨著對偶材料鎳含量的降低而減小。但是由于試驗選取的材料種類較少，并且沒有排除金屬中其他元素的影響，此結(jié)論還需進一步的實驗來驗證。

1.4 接觸面積和應(yīng)力的影響

Merstallinger等[20]也曾研究了幾何參數(shù)和接觸應(yīng)力對空間冷焊效應(yīng)的影響[20]，目的是研究在微動條件下粘著力是否與接觸面積有關(guān)。試驗參數(shù)見表1，共有4組不同半徑和載荷的試件，試件材料選擇無鍍膜的奧氏體不銹鋼AISI316L與自身接觸，使用赫茲接觸理論計算接觸應(yīng)力[21-23]。

圖6 在沖擊和微動條件下一些鋼材和鎳合金與自身對偶的粘著力對比[6]

表1 試驗參數(shù)[20]

Tab.1 Test parameters[20]

Merstallinger等[20]選擇通過屈服強度乘以接觸面積來計算理論狀態(tài)下的粘著力，其中接觸面積通過赫茲接觸理論計算得到，接觸面積和粘著力的計算結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，粘著力應(yīng)隨著接觸面積的減小而降低。

實際測量的粘著力數(shù)據(jù)與使用赫茲接觸理論計算的結(jié)果并不相符。實際的粘著力大小如圖8a所示，只有第一組試件表現(xiàn)出了相對較低的粘著力（6.2 N），其余3組相差不大，均在10 N左右。導(dǎo)致理論與實際結(jié)果不符的原因主要有2點：第一，微動磨損會導(dǎo)致接觸面積增大[24-25]，由圖8b可以看出，第三組試件在試驗后顯著地表現(xiàn)出了較大的接觸面積，這表明即便接觸應(yīng)力相似，加載載荷增大也會導(dǎo)致微動磨損加??；第二，由于試件表面粗糙度和污染物的影響，實際接觸面積遠小于理論推導(dǎo)的名義接觸面積。在使用赫茲接觸理論計算接觸面積時，并沒有考慮這2個因素，因此計算得到的結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相差較大。

Merstallinger等[20]的試驗無法直觀表明接觸面積對冷焊效應(yīng)的影響，試驗選用的理論已被證明不適合計算粘著力。因此，關(guān)于粘著力的計算模型還有待研究，其難點在于微動磨損過程以及實際接觸面積的不可預(yù)測性。

圖7 使用赫茲接觸理論計算得到的接觸面積和粘著力[20]

圖8 實際測量的粘著力與微動試驗后的接觸面積[20]

2 空間冷焊效應(yīng)試驗設(shè)備

20世紀70年代，NASA的Wang[26]對冷焊的試驗設(shè)備進行了研究。他指出在冷焊試驗設(shè)備中不應(yīng)該使用油泵，因為泵油中的長鏈烴會在一定程度上對物體表面起到潤滑作用，從而使得試驗數(shù)據(jù)無效。NASA研制的冷焊試驗設(shè)備的側(cè)面剖視圖如圖9所示。

圖9 NASA冷焊試驗設(shè)備側(cè)面剖視圖[26]

圖10a為歐洲航天局（European Space Agency，簡稱ESA）研制的冷焊試驗設(shè)備，用于進行沖擊及微動冷焊試驗，其組成包括能達到10–6Pa真空度的超高真空系統(tǒng)和用于形成無振動環(huán)境的空氣阻尼系統(tǒng)。微動試驗裝置的工作原理如圖10b所示，右側(cè)的壓電式致動器用于產(chǎn)生橫向運動，并通過位移傳感器確認，使用三軸壓力傳感器測量載荷、橫向力和粘著力的大小[9]。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所（五院511所）研制的空間活動部件冷焊模擬設(shè)備如圖11所示，可以精確測量各種對偶材料的冷焊性能，也可以對活動構(gòu)件進行空間冷焊效應(yīng)模擬試驗。該設(shè)備擁有3種不同精度和用途的粘著力測量裝置：杠桿式冷焊測力裝置（適用于工程材料）、冷焊測力軸尖天平（測力范圍為1.5×10–4～0.5 N，靈敏度為100 μN）和應(yīng)變測力裝置（測力范圍為5×10–5～1 N）。除此之外，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所還研制了Φ500小型無油超高真空冷焊試驗設(shè)備和中型無油超高真空防冷焊評價試驗設(shè)備等[1,27]。

蘭州空間技術(shù)物理研究所（五院510所）研制的LW-1型材料對偶超高真空冷焊效應(yīng)試驗設(shè)備及其原理如圖12所示，可用于測試對偶材料在超高真空環(huán)境中的粘著力或粘著系數(shù)（粘著系數(shù)=單次粘著力/加載載荷）。該設(shè)備綜合利用了電磁力與杠桿的原理來生成測試所需的加載力和分離力，其真空室內(nèi)只有杠桿支點一處摩擦位置，并且可通過固體潤滑處理使得杠桿自身產(chǎn)生的誤差忽略不計[28-29]。

圖10 ESA冷焊試驗設(shè)備及其工作原理[9]

圖11 空間活動部件冷焊模擬設(shè)備結(jié)構(gòu)[1]

圖12 LW-1型材料對偶超高真空冷焊效應(yīng)試驗設(shè)備及原理[28-29]

3 典型材料的空間冷焊效應(yīng)防護措施

研究空間冷焊效應(yīng)的最終目的是防止其在航天器活動構(gòu)件上發(fā)生，因此空間冷焊效應(yīng)的防護措施是研究的重點之一。

3.1 Fe基金屬材料

雖然各類新材料不斷涌現(xiàn)，但高強度鋼憑借其彈性模量大、沖擊韌性好和強度高等優(yōu)勢在短期內(nèi)仍將不可被替代[30-34]。Merstallinger等[13]選取TiC、DLC和MoS2等涂層來對17-7PH不銹鋼和AISI52100軸承鋼進行鍍膜后的冷焊試驗，其結(jié)果如圖13所示。在17-7PH不銹鋼上鍍TiC能使沖擊條件下的粘著力降至原來的1/4左右，而鍍MoS2則可完全避免冷焊。AISI52100軸承鋼與17-7PH不銹鋼的對偶粘著力本身較低，還可以通過在前者上鍍DLC膜進一步降低粘著力，并且DLC膜在37 000次循環(huán)之后仍沒有脫落。由此可見，在沖擊條件下，MoS2比TiC能更有效地防止17-7PH不銹鋼發(fā)生冷焊，DLC涂層更適合軸承鋼這一類具有較高硬度的基體材料[35-39]。

圖13 沖擊條件下不同鍍膜鋼的粘著力[13]

微動條件下的試驗結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯觯瑑H在17-7PH不銹鋼上鍍MoS2不足以預(yù)防冷焊，粘著力達到了5 870 mN，相比于未鍍膜時，僅降低了約50%。微動試驗后，鍍有MoS2的不銹鋼SS17-7PH的掃描電鏡圖像如圖15所示。從圖15可以清晰地看到鍍層已被破壞，通過能譜分析也能確認接觸區(qū)域的Mo元素含量為0，表明MoS2鍍層已經(jīng)全部脫落。對17-7PH不銹鋼進行氮化處理也不能有效降低粘著力（8 517 mN）。在AISI52100軸承鋼上鍍DLC膜，可降低其與SS17-7PH對偶的粘著力至1/3左右（856 mN）。鍍有MoS2的AISI440C軸承鋼與17-7PH不銹鋼對偶的粘著力為261 mN，但是在17-7PH不銹鋼上額外鍍TiC，使得組合的粘著力增大為2 210 mN，并且觀察到MoS2鍍層在366次循環(huán)之后破裂。因此，Merstallinger等[13]認為TiC會破壞AISI440C軸承鋼上起到預(yù)防冷焊作用的表面層。

圖14 沖擊和微動條件下不同鍍膜鋼的粘著力[13]

復(fù)合鍍層往往比單一材料具有更良好的性能。例如，1997年我國發(fā)射的風(fēng)云二號衛(wèi)星（FY-2A）的分離段就采用了含有MoS2的復(fù)合鍍層進行防冷焊處理，保證了星箭的正常分離[40]。因此，未來關(guān)于各種復(fù)合鍍層在防冷焊處理上的應(yīng)用值得關(guān)注[41-42]。

3.2 Al基金屬材料

盡管受到鈦合金及復(fù)合材料的挑戰(zhàn)，鋁合金憑借耐腐蝕性好、相對密度小、加工方便、可回收性強以及鋁的資源豐富等優(yōu)勢，在短期內(nèi)依然是航天器的重要材料，其中2000系和7000系變形鋁合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用最廣[43-44]。其防冷焊處理在沖擊條件下的試驗結(jié)果如圖16所示，硬質(zhì)陽極氧化鋁合金與15-5PH（國內(nèi)牌號05Cr15Ni5Cu4Nb）不銹鋼以及阿洛丁陽極氧化處理（阿洛丁1200）鋁合金的對偶、鍍CrNi的鋁合金與硬質(zhì)陽極氧化鋁合金的對偶均表現(xiàn)出較低的粘著力，但是僅在一側(cè)鋁合金上進行阿洛丁陽極氧化處理不足以預(yù)防冷焊（粘著力為336 mN）。等離子體電解氧化（Keronite）后的鋁合金不僅表現(xiàn)出很低的粘著力，而且鋁合金表面沒有碎片產(chǎn)生[13,45]。

圖15 微動試驗后鍍有MoS2的不銹鋼SS17-7PH表面[13]

傳統(tǒng)的陽極氧化技術(shù)因其可以提高鋁合金的耐磨性和抗腐蝕性而得到了廣泛的應(yīng)用，但是其存在著危害環(huán)境以及長期暴露下黑色涂面不穩(wěn)定的問題[46-47]。等離子體電解氧化技術(shù)作為一種相對新型的環(huán)保型電解鍍膜工藝，適用于鎂、鋁等輕金屬及其合金，有著廣闊的應(yīng)用前景。Shrestha等[48]針對等離子體電解氧化技術(shù)在空間輕金屬材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進行了研究。其工藝過程為在使用壓縮空氣攪動的電解槽中施加調(diào)制電壓，由于部件表面產(chǎn)生微弧，足夠高的電壓會產(chǎn)生強烈的等離子體，這會使得部件表面氧化以及電解質(zhì)溶液中的元素共沉積，從而在基體上形成硬質(zhì)陶瓷氧化層。與傳統(tǒng)陽極氧化處理相比，等離子體電解氧化技術(shù)可以提高抗沖擊和微動磨損的能力，目前世界各國已將此技術(shù)應(yīng)用于尖端武器裝備制造以及航空航天等領(lǐng)域[49]。

圖16 沖擊條件下不同鍍膜的鋁合金的粘著力[13]

微動條件下的試驗結(jié)果如圖17所示，硬質(zhì)陽極氧化后的7075鋁合金與17-7PH不銹鋼的對偶表現(xiàn)出很低的粘著力，硬質(zhì)陽極氧化后的鋁合金與鍍CrNi或阿洛丁陽極氧化處理后的鋁合金對偶均沒有表現(xiàn)出冷焊。與沖擊試驗結(jié)果類似，僅對一側(cè)鋁合金進行阿洛丁陽極氧化處理依然不足以預(yù)防冷焊（粘著力為2 036 mN）。等離子體電解氧化處理后的鋁合金不僅沒有表現(xiàn)出粘著力，而且鍍層沒有脫落（如圖18所示），相比之下，硬質(zhì)陽極氧化的鋁合金表面已經(jīng)破裂。因此，對于鋁合金的冷焊防護，等離子體電解氧化處理是較優(yōu)選擇。

圖17 沖擊和微動條件下不同鍍膜的鋁合金的粘著力[13]

圖18 微動試驗后硬質(zhì)陽極氧化和等離子體電解氧化處理的鋁合金表面鍍層對比[13]

3.3 Ti基金屬材料

鈦合金因其具有耐腐蝕、比強度高等優(yōu)點，常用于航天器構(gòu)件[50-53]。對于鈦合金中應(yīng)用范圍較廣的Ti6Al4V，其防冷焊處理在2種條件下的試驗結(jié)果如圖19所示。試驗數(shù)據(jù)表明，所選用的方法在沖擊條件下的防護效果比較理想，但在微動條件下均不能完全避免冷焊。相對而言，等離子體電解氧化處理后鈦合金的粘著力最低（1 356 mN）[54]。Santos等[55]研究了DLC涂層對Ti6Al4V的冷焊防護作用，其試驗條件為24.5 N大小的靜載荷作用在5×10–5m2的面積上，真空度約為10–6Pa，保持時間為10 h。在此條件下，沒有觀察到冷焊發(fā)生。Santos等還發(fā)現(xiàn)，在DLC膜與Ti6Al4V基體之間添加硅過渡層，可以使DLC膜與基體結(jié)合得更好。

未來對于鈦合金的冷焊防護措施還需要進一步研究，包括鈦合金與自身以及其他材料的對偶組合。研究表明，對于鈦合金的冷焊防護，等離子體電解氧化技術(shù)值得關(guān)注[56-57]。Santos等[55]的研究雖然證明了DLC膜在短期靜載條件下可以預(yù)防冷焊，但是還需在沖擊和微動條件下進行測試，并且延長保持時間。

圖19 沖擊和微動條件下不同鍍膜的Ti6Al4V的粘著力[53]

4 結(jié)語與展望

從20世紀60年代起，NASA、ESA以及中國航天科技集團公司所屬單位（五院510所、五院511所）針對空間冷焊效應(yīng)及其防護措施開展了卓有成效的研究，滿足了不同軌道航天器飛行任務(wù)的工程應(yīng)用需求，但對空間冷焊效應(yīng)的機理研究還不夠深入。對于常見的空間活動機構(gòu)材料（如Fe、Al和Ti基金屬），在靜載和微動2種接觸類型下，采用鍍膜和陽極氧化等表面處理可以有效避免冷焊的發(fā)生，但在微動條件下，許多材料對偶還沒有有效的冷焊防護技術(shù)。

國內(nèi)僅有航天五院510所和五院511所具備空間冷焊效應(yīng)研究和評價的條件，經(jīng)過近60年的技術(shù)攻關(guān)，已取得了一系列成果，并制定了冷焊效應(yīng)評價的行業(yè)標準。隨著我國深空探測任務(wù)的穩(wěn)步推進，長達數(shù)年（如從地球軌道到達木星軌道需要近6 a）飛往探測目標過程的冷焊效應(yīng)評價體系已成為制約該類航天器可靠性的核心問題之一。目前，我國冷焊效應(yīng)的評價標準還處于短周期靜載條件的研究階段，盡管滿足了我國絕大部分航天器短期飛行過程的防冷焊需求，但對于沖擊和微動條件下的冷焊效應(yīng)評價體系還未建成。同時，針對長期飛行冷焊效應(yīng)的加速評價方法也未展開系統(tǒng)研究。針對我國目前空間冷焊效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，可借助軟件仿真分析與真空技術(shù)相結(jié)合的方式，系統(tǒng)開展對于靜載、沖擊和微動3種接觸類型下冷焊效應(yīng)機理和評價方法的研究，并建立冷焊效應(yīng)數(shù)據(jù)庫，為我國后續(xù)各類航天器的冷焊防護措施提供解決方案和設(shè)計依據(jù)。

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Research Progress of Space Cold Welding Effect

,,,,,

(Lanzhou Institute of Physics, China Academy of Space Technology, Lanzhou 730000, China)

The research results of space cold welding effect on domestic and foreign space institutions since the 1960s were reviewed in this paper. First, based on the explanation of lattice structure and energy, the mechanism of the space cold welding effect was expounded. Also, the role of surface oxides, non-stoichiometric compounds and crystal imperfections in cold welding effect was discussed. The main factors affecting the cold welding effect including contact type, substrate materials, contact area and the stress, were also analyzed. It included the difference of cold welding effect under static load, impact and fretting, the comparison of adhesion force between different material, and the influence of contact area and contact stress on cold welding. The equipment for the research of the cold welding effect was introduced. Aimed at three common substrate materials for space moving parts (steel, aluminium alloy and titanium alloy), the protection measures for cold welding were summarized. It included coatings (such as MoS2, TiC, and DLC), hard anodizing and plasma electrolytic oxidation. According to the current research situation of the space cold welding effect in China, the main points of research and the development suggestions were put forward.

high vacuum; space cold welding; adhesion force; fretting wear; cold welding protection

TG174

A

1001-3660(2022)04-0092-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.04.008

2021-02-09；

2021-10-15

2021-02-09；

2021-10-15

蒼悅天（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為表面科學(xué)與工程。

CANG Yue-tian (1997—), Male, Postgraduate, Research focus: surface science and engineering.

張凱鋒（1976—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為空間活動零部件潤滑與評價技術(shù)。

ZHANG Kai-feng (1976—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: lubrication and evaluation technology of space moving parts.

蒼悅天，張凱鋒，周暉, 等. 空間冷焊效應(yīng)的研究進展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(4): 92-103.

CANG Yue-tian, ZHANG Kai-feng, ZHOU Hui, et al. Research Progress of Space Cold Welding Effect[J]. Surface Technology, 2022, 51(4): 92-103.

責(zé)任編輯：劉世忠