防真空冷焊鍍覆層探討

范小平，張勇強(qiáng)，孫革偉

(1.空軍裝備部駐綿陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室；2.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1 前言

高真空分離機(jī)構(gòu)如真空分離連接器，是星箭分離、巡視器與著陸器成功分離的關(guān)鍵性器件。高真空分離電連接器選用彈簧釋放彈力克服針孔間的插拔阻力，實(shí)現(xiàn)頭座分離脫落。長(zhǎng)周期高真空飛行任務(wù)中，分離電連接器接觸體部件將面臨真空冷焊的風(fēng)險(xiǎn)，其接觸體表面鍍覆層對(duì)防真空冷焊有著至關(guān)重要的作用。如果分離電連接器發(fā)生冷焊粘連，就會(huì)發(fā)生諸如星箭不分離、空間武器不能發(fā)射、著陸器無(wú)法著陸等致命的功能性障礙。因此，研究真空冷焊的發(fā)生機(jī)制，從發(fā)生機(jī)制上消除真空冷焊的不利影響，是真空分離連接器開(kāi)發(fā)中的必要工作。

2 真空冷焊的發(fā)生機(jī)理

2.1 真空冷焊的概念[1]

真空冷焊是2005年經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布公布的航天科學(xué)技術(shù)名詞。真空冷焊指：當(dāng)器件處于超高真空環(huán)境中，器件運(yùn)動(dòng)部件的表面處于原子清潔、無(wú)污染狀態(tài)時(shí)，清潔、無(wú)污染金屬接觸面間原子鍵合造成的粘接現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)部件不能分離是真空冷焊嚴(yán)重時(shí)的表現(xiàn)。金屬活動(dòng)部件面間過(guò)度摩擦造成凸點(diǎn)處局部焊接，導(dǎo)致金屬撕落、轉(zhuǎn)移，并進(jìn)一步造成接觸件粗糙度增加的現(xiàn)象[2]，也是冷焊的表現(xiàn)。

選擇不當(dāng)?shù)挠袡C(jī)材料壓力接觸界面，在環(huán)境溫度較高的高真空中震動(dòng)摩擦條件下，也可能發(fā)生焊接，這是類似塑料的超聲波焊接；一些橡膠和塑料之間，因?yàn)閴毫佑|界面兩側(cè)如含有增塑劑會(huì)相互擴(kuò)散，也表現(xiàn)為焊接在一起，這兩種情況在真空環(huán)境和非真空環(huán)境都可以發(fā)生，都不在真空冷焊的范疇。

2.2 真空冷焊的發(fā)生場(chǎng)景和機(jī)理

超高真空(一般認(rèn)為真空度達(dá)到10-6Pa，國(guó)標(biāo)規(guī)定小于1.33×10-7Pa)、相同的金屬材料以及一定的壓力，是發(fā)生冷焊現(xiàn)象的幾個(gè)要素。在大氣環(huán)境下，因?yàn)楦鞣N雜質(zhì)氧化物及氣體的存在，看不到冷焊現(xiàn)象。一般的應(yīng)用也很難觸及到超高真空。在超高真空條件下，當(dāng)固體表面吸附物以氣體方式逸出，各種有機(jī)污染膜解析消失，固體表面相互接觸時(shí)，在接觸壓力、震動(dòng)摩擦作用下，金屬表面的氧化膜被破壞，為金屬接觸界面形成金屬鍵提供了條件，界面兩邊的金屬原子便會(huì)相互擴(kuò)散發(fā)生粘合現(xiàn)象，加上熱擴(kuò)散作用，在一定的壓力負(fù)荷下就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步整體粘著，這就是真空冷焊的發(fā)生[3]。

在分離(脫落)連接器中，金屬殼體之間、殼體與屏蔽環(huán)之間、接觸件之間是可能發(fā)生真空冷焊的接觸副。典型的脫落連接器在輸入機(jī)械分離力或電流后實(shí)現(xiàn)插頭和插座的分離，工作過(guò)程如圖1；脫落電連接器插頭外形結(jié)構(gòu)如圖2；脫落電連接器插座外形結(jié)構(gòu)如圖3。

圖1 脫落連接器分離示意圖

圖2 脫落電連接器插頭外形結(jié)構(gòu)圖

圖3 脫落電連接器插座外形結(jié)構(gòu)圖

在高真空環(huán)境中，分離連接器插頭插座在長(zhǎng)期插合的情況下，拉桿機(jī)構(gòu)和鎖緊套的金屬接觸面長(zhǎng)時(shí)間接觸或者因?yàn)殡S機(jī)振動(dòng)等造成的過(guò)度磨損而發(fā)生"粘接"，可能導(dǎo)致在通電后或者施加機(jī)械拉力情況下插頭插座無(wú)法有效分離"卡住"的現(xiàn)象發(fā)生。另外，金屬殼體之間和電接觸對(duì)之間，對(duì)偶材料均為金屬，也可能產(chǎn)生冷焊而影響分離。

3 連接器防真空冷焊的措施

要防止真空冷焊的發(fā)生，當(dāng)然要熟知以下諸多利于冷焊的條件：金屬惰性或者能得到新鮮清潔表面；能使對(duì)偶表面在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持新鮮清潔狀態(tài)；金屬越軟，塑性越大，越易于冷焊 ；溫度升高，金屬塑性增加，利于冷焊；對(duì)偶面正壓力增大，利于金屬原子的塑性流動(dòng)，利于冷焊；摩擦可持續(xù)產(chǎn)生新鮮清潔表面，利于冷焊。

一般而言，防范冷焊發(fā)生可采取包括不限于以下的措施：

(1)提高對(duì)偶金屬硬度，增加表面耐磨性，對(duì)偶件表面原子接觸數(shù)量少，形成的金屬鍵合僅限于表面凸點(diǎn)上層的幾十個(gè)原子層，與金屬材料抗拉、抗折強(qiáng)度相比，完全忽略不計(jì)，如鍍硬鉻、鍍化學(xué)鎳；

(2)鍍覆既耐低溫、又抗高溫的潤(rùn)滑膜，如鍍覆MoS2膜或WS2膜、PTFE薄膜、PTFE+ MoS2薄膜、PI+ MoS2薄膜、涂覆分子量5000左右的全氟聚醚潤(rùn)滑脂或高真空硅酯；

(3)鍍覆含MoS2或PTFE納米顆粒的自潤(rùn)滑復(fù)合鍍鎳層；

(4)對(duì)偶件使用耐磨的非金屬材料如剛玉陶瓷、氧化鋯陶瓷等；

(5)對(duì)碳鋼和不銹鋼進(jìn)行QPQ處理，在工件表面生成雙層的氮化層，對(duì)于黑色金屬表面化合層可達(dá)到10 25微米深度，擴(kuò)散層深達(dá)0.3 0.8 mm，具有表面烏黑發(fā)亮的色澤，化合層均勻性極佳，表面硬度高，有很高的耐磨性、耐腐蝕性；

(6)物理氣相沉積氮化鈦膜(PVD-TiN)；

(7)物理化學(xué)氣相沉積類金剛石膜(PCVD-DLC)，DLC即diamond-like carbon，由碳元素構(gòu)成，與鋼的結(jié)合強(qiáng)度高，在性質(zhì)上和鉆石類似，同時(shí)又含石墨結(jié)構(gòu)。DLC是一種非晶態(tài)薄膜，具有高硬度和高彈性模量，低摩擦系數(shù)，耐磨損以及真空摩擦學(xué)特性；DLC鍍層是含有金剛石結(jié)構(gòu)(sp3鍵)和石墨結(jié)構(gòu)(sp2鍵)的亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)，碳原子主要以sp3和sp2雜化鍵結(jié)合。DLC膜的厚度只有幾微米(理論為0.003mm)，一般達(dá)到以下特性：鍍層硬度 8000 HV；摩擦系數(shù)0.05 0.2；涂層厚度：0.5 10 μm；最高耐熱 800 ℃。

常用的幾種抗真空冷焊膜參考特性對(duì)比如表1。

表1 常用的幾種抗真空冷焊膜參考特性對(duì)比

在本連接器上因接觸面見(jiàn)可能發(fā)生的真空冷焊現(xiàn)象而是連接器不能正常分離的面接觸零件有：鋼珠和鎖套、鋼珠和拉桿、軸套和拉桿、壓筒和鎖緊套、壓筒和軸套、軸套和鎖緊套、插針和插孔、鋼珠和軸套、鋼珠和壓筒、頭殼體與座殼體。如果上述零件之間發(fā)生真空冷焊現(xiàn)象，可能到導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法解鎖，或者解鎖后插頭與插座不能正常分離。

3.1 鎖緊機(jī)構(gòu)的防真空冷焊措施

鎖緊機(jī)構(gòu)由鎖緊圈、壓筒、陶瓷珠、芯軸、軸套、彈簧等零件組成。鎖緊圈安裝在插座上，其它零件安裝在插頭上，芯軸后部帶有彈簧，與軸套和壓筒配合，三個(gè)陶瓷珠在軸套圓周均勻分布(如圖4所示)。插合時(shí)，壓筒在鎖緊圈的壓力作用下向后移動(dòng)，當(dāng)陶瓷珠進(jìn)入鎖緊圈的凹槽位置時(shí)，陶瓷珠被芯軸在彈簧的推動(dòng)下向外擠入鎖緊圈的凹槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)鎖緊功能。分離時(shí)，在芯軸尾部施加一定的機(jī)械拉力，芯軸克服彈簧的壓力向后移動(dòng)，同時(shí)陶瓷珠被壓筒在彈簧壓力的作用下向內(nèi)收縮，直至陶瓷珠進(jìn)入壓筒內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)解鎖功能。

圖4 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

插合狀態(tài)下拉桿機(jī)構(gòu)相接觸的金屬零件是鎖緊圈、滾珠、軸套、芯軸，還有壓筒和彈簧與軸套接觸。鎖緊圈、軸套、壓筒和軸套均采用高強(qiáng)度合金鋼，進(jìn)行類金剛石膜層DLC鍍覆。

就常規(guī)的方法而言，在長(zhǎng)期高真空環(huán)境中使用的話，鎖緊套表面可以鍍覆MoS2和WS2膜層防止冷焊,但因?yàn)榱蚧u膜和硫化鎢膜剪切強(qiáng)度都低，更大的作用是在潤(rùn)滑性能方面，對(duì)小面積的接觸面鍍覆MoS2膜、WS2膜層會(huì)存在摩擦掉粉的現(xiàn)象。含二硫化鉬的PTFE或PI涂層，抗冷焊性能和潤(rùn)滑性也很好，但是屬于有機(jī)涂層為基礎(chǔ)，比較厚，精密零件上使用可能影響裝配。而類金剛石膜層DLC更耐磨，同樣具備更大高低溫范圍的潤(rùn)滑、防冷焊性能。DLC膜層是金剛石和石墨的混合結(jié)構(gòu)，具有極高的機(jī)械性能外，還具有最高的化學(xué)穩(wěn)定性。所以在精密小產(chǎn)品的耐磨、潤(rùn)滑、防冷焊場(chǎng)合選擇DLC膜層而不用二硫化鎢和二硫化鉬鍍層。

3.2 殼體之間防真空冷焊的措施

對(duì)于真空環(huán)境中殼體間接觸面，因殼體本身不是運(yùn)動(dòng)部件，雖然接觸面冷焊風(fēng)險(xiǎn)低，但還是作必要的防范。殼體一般是鋁合金基材，采用真空鍍覆MoS2和WS2膜層雖然具備導(dǎo)電的作用，但膜層的耐腐蝕性并不好。事實(shí)上，因?yàn)轭^座插合后重疊距離長(zhǎng)且間隙很小，脫落連接器一般的電磁屏蔽還是容易滿足的，那么殼體噴砂陽(yáng)極氧化后涂覆PTFE+ MoS2薄膜或PI+ MoS2薄膜是綜合地保證耐蝕性、耐磨性、潤(rùn)滑性的最好方式，考慮聚酰亞胺(PI)的高溫穩(wěn)定性高于PTFE，最終采用鋁合金殼體噴砂后陽(yáng)極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜。

3.3 接觸件之間防真空冷焊的措施

采用雙曲線簧插孔接觸件，因?yàn)榻佑|正壓力較小(一般5絲線簧接觸對(duì)的保持力在0.5 N左右，按0.2的摩擦系數(shù)，每根絲接觸點(diǎn)正壓力就是0.5 N)，即使線簧絲和插針都只鍍鎳打底的耐磨金，發(fā)生真空冷焊的程度也較低。

但是為了保證更加可靠，可以參考的解決方案是線簧孔鍍鎳鍍金，而插針表面鍍鎳2/金1.27/釕0.2，利用釕的高硬度、高熔點(diǎn)及表面幾十個(gè)原子層厚度的氧化膜，發(fā)揮抗真空冷焊的效果。最簡(jiǎn)單的辦法是，插針表面涂超低蒸汽壓的電接觸保護(hù)劑如氟代聚醚脂(PFPE)，在2 3 MPa的視在接觸壓力下，接觸電阻并不會(huì)增加。

分子量5000左右的全氟聚醚潤(rùn)滑脂在高溫軸承上廣泛使用，本身絕緣性好，而在金屬表面的薄膜基本上不影響接觸電阻，并耐高溫，在-55 ℃ +200 ℃左右基本上沒(méi)有分解揮發(fā)，可避免運(yùn)動(dòng)部件之外接觸面的冷焊。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，全氟聚醚在航天及其他領(lǐng)域廣泛應(yīng)用：主要由于其不燃性，全氟聚醚用于宇航員壓力服裝的固定件及運(yùn)動(dòng)部件，也曾成功地用于航天飛機(jī)上天線系統(tǒng)的軸承；此種油也被證實(shí)滿意地用于在其他空間飛船上支撐太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)臂、允許其延伸的軸承的潤(rùn)滑；全氟聚醚也用于空間飛船上裝設(shè)的電位計(jì)的滑線。此油使磨損減至最小，并且不會(huì)移動(dòng)到系統(tǒng)的其他部件上；在核電站中，全氟聚醚用作在暴露于輻射的區(qū)域內(nèi)操作的泵的軸承潤(rùn)滑油，在這種情況下，輻射使常用石油潤(rùn)滑油迅速分解，而全氟，聚醚油能長(zhǎng)周期無(wú)明顯分解地操作。有記錄表明, 全氟聚醚在暴露于輻射的區(qū)域內(nèi)操作的泵的軸承潤(rùn)滑900 h運(yùn)行后，粘度僅變化2%，未形成油泥或膠質(zhì)。因其優(yōu)越的氧化安定性及不生成膠質(zhì)，全氟聚醚油用作不同種類儀表軸承、寶石軸承及樞軸的潤(rùn)滑油。全氟聚醚油的壽命接近無(wú)限期。

3.4 殼體和屏蔽環(huán)之間防真空冷焊的措施

頭座殼體插合界面，有屏蔽環(huán)過(guò)渡。除了常規(guī)意義的電磁屏蔽作用，屏蔽環(huán)在機(jī)械上起著平衡四周間隙寬度、柔順插拔的使用效果。

如果外殼鍍高磷化學(xué)鎳，一方面鍍層硬度高，在450 HV以上，另一方面高磷鎳鍍層中含磷量按原子百分比可達(dá)22%，高磷鎳內(nèi)部化學(xué)鍵偏離金屬鍵就較多，經(jīng)過(guò)鈍化后，其最表面大量的化學(xué)成分是磷化鎳和磷酸鎳膜，與電鍍鎳的屏蔽環(huán)產(chǎn)生冷焊的程度極低，疊加涂覆高真空潤(rùn)滑硅脂或者氟代聚醚脂(PFPE)將能完全避免冷焊發(fā)生。當(dāng)然，采用含PTFE微粒的復(fù)合化學(xué)鍍鎳層肯定可以防止真空冷焊。

頭座殼體之間的電連續(xù)性對(duì)本產(chǎn)品并非必須，內(nèi)部射頻接插件本身有電磁屏蔽設(shè)計(jì)，連接器金屬外殼插合也有足夠深度，即使金屬殼體的表面不導(dǎo)電也不影響分離連接器的電磁屏蔽性能。頭座殼體采用PI-MoS2膜防冷焊，屏蔽環(huán)作常規(guī)的低應(yīng)力鎳鍍覆處理。

4 分離連接器真空冷焊試驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了一款真空分離連接器，其中鎖緊機(jī)構(gòu)的防真空冷焊措施是采用DLC膜，鋁合金頭座殼體之間防真空冷焊措施是采用噴砂后陽(yáng)極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接觸壓力的雙曲線簧插孔接觸對(duì)的防真空冷焊措施是在硬金鍍層插針表面涂超低蒸汽壓的氟代聚醚脂(PFPE)，并進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 低溫真空冷焊試驗(yàn)驗(yàn)證

將插合好的連接器懸掛在真空罐內(nèi)，先在低溫(-55±3)℃、真空度為1.3×10-7Pa的環(huán)境條件下保持24小時(shí)，在罐內(nèi)不加負(fù)載，從罐中取出試驗(yàn)樣品，并恢復(fù)到室溫后進(jìn)行規(guī)定的分離試驗(yàn)。試驗(yàn)2套產(chǎn)品，分離力在設(shè)計(jì)的35 100 N之間，未發(fā)生冷焊現(xiàn)象。

4.2 高溫真空冷焊試驗(yàn)驗(yàn)證

將插合好的連接器懸掛在真空罐內(nèi)、抽真空至1.3×10-7Pa，溫度升至(80±2)℃(真空度按設(shè)備上限執(zhí)行)，并通過(guò)1 A負(fù)載電流(可將接觸件串聯(lián))保持96小時(shí)后，從罐中取出試驗(yàn)樣品，并恢復(fù)到室溫后進(jìn)行規(guī)定的分離試驗(yàn)。試驗(yàn)2套產(chǎn)品，分離力在設(shè)計(jì)的35 100 N之間，未發(fā)生冷焊現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

真空分離連接器防真空冷焊通過(guò)材料和鍍覆層來(lái)保證。其中，鎖緊機(jī)構(gòu)的防真空冷焊措施是采用DLC膜，鋁合金頭座殼體之間防真空冷焊措施是采用噴砂后陽(yáng)極氧化再涂覆PI+ MoS2薄膜，低接觸壓力的雙曲線簧插孔接觸對(duì)的防真空冷焊措施是在硬金鍍層插針表面涂超低蒸汽壓的氟代聚醚脂(PFPE)。經(jīng)過(guò)低溫真空冷焊試驗(yàn)和高溫真空冷焊試驗(yàn)，驗(yàn)證上述措施是充分有效的。