中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)分院院長(zhǎng)、國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任、金屬所韓恩厚研究員。中科院沈陽(yáng)分院 供圖
中新網(wǎng)沈陽(yáng)12月24日電 (沈殿成)北京時(shí)間12月17日1時(shí)59分，探月工程嫦娥五號(hào)返回器成功著陸，標(biāo)志著我國(guó)首次地外天體采樣返回任務(wù)圓滿完成，我國(guó)首次地外天體樣品儲(chǔ)存、分析和研究相關(guān)工作也隨之啟動(dòng)。
人們熟知的神舟、天宮、嫦娥等所有航天器都需要考慮使用材料的耐腐蝕問(wèn)題。航天材料的腐蝕因素較為復(fù)雜，包括地面存放環(huán)境中的大氣腐蝕、近地軌道附近原子氧的侵蝕、宇宙射線對(duì)涂層材料的破壞，以及太空中交變溫度的影響等。應(yīng)用在“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器上的鎂合金天線接收器外殼和執(zhí)行此次發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭上的鎂質(zhì)慣組支架的腐蝕防控核心技術(shù)，均由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所(以下簡(jiǎn)稱金屬所)科研團(tuán)隊(duì)研制而成，滿足航天裝備地面環(huán)境及空間環(huán)境的復(fù)雜綜合要求。
該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)分院院長(zhǎng)、國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任、金屬所韓恩厚研究員帶領(lǐng)的這支科研團(tuán)隊(duì)攻克了傳統(tǒng)鎂合金防護(hù)涂層無(wú)法同時(shí)滿足防腐和導(dǎo)電的難題，研制出鎂合金表面防腐導(dǎo)電功能一體化涂層，應(yīng)用于2010年“嫦娥三號(hào)”，并致力于技術(shù)的不斷改進(jìn)，十年磨一劍，為我國(guó)的探月工程保駕護(hù)航。
厚積薄發(fā) 利刃出鞘
鎂合金因?yàn)槠浔戎貥O輕和資源豐富，被視為一種非常有前景的材料。減重對(duì)航天器至關(guān)重要，甚至以克計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)減重，在航天器上大量使用輕合金，鎂合金成為減重常用材料，但它本身極易被腐蝕，這一直是影響其規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
2010年4月，團(tuán)隊(duì)初次接觸“嫦娥三號(hào)”項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)具有一定鎂合金導(dǎo)電涂層相關(guān)工藝的技術(shù)儲(chǔ)備。韓恩厚研究員的學(xué)生宋影偉(現(xiàn)任中科院金屬所鎂合金防護(hù)組組長(zhǎng))，在讀博士期間主要針對(duì)AZ91鎂合金化學(xué)鍍及納米化學(xué)復(fù)合鍍進(jìn)行了歷時(shí)3年的研究，在韓恩厚研究員的悉心指導(dǎo)及宋影偉夜以繼日的摸索嘗試下，最終在小面積實(shí)驗(yàn)試片上制備出均勻、致密且與鎂基體結(jié)合緊密的導(dǎo)電鍍層。該鍍層在耐磨性及耐蝕性方面遠(yuǎn)超傳統(tǒng)Ni-P鍍層。但當(dāng)時(shí)的工藝仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，處理的樣品尺寸較小，形狀構(gòu)造簡(jiǎn)單，且受限于航天鎂合金的應(yīng)用起步較晚，尚未有對(duì)大尺寸，復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。韓恩厚研究員、單大勇研究員與航天企業(yè)開(kāi)展項(xiàng)目合作，正式開(kāi)啟了該技術(shù)的航天應(yīng)用之旅。
“在讀碩士時(shí)，我就和腐蝕防控結(jié)下了不解之緣，如今在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有30多年積淀?！表n恩厚表示，自己的科研生涯基本都與腐蝕科學(xué)與工程相關(guān)，也希望能夠通過(guò)腐蝕防控技術(shù)服務(wù)于國(guó)家重大工程實(shí)施。
精雕細(xì)琢 打破瓶頸
早在“神舟五號(hào)”發(fā)射測(cè)試階段，韓恩厚研究員與單大勇研究員就曾了解到鎂合金在航天應(yīng)用中存在的問(wèn)題，即鎂合金基體在大氣環(huán)境中表面會(huì)迅速形成一層自然氧化膜，但這層膜缺陷多，不致密，無(wú)法起到防護(hù)作用。如果采用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜或微弧氧化這些常用的防腐技術(shù)對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理，由于這類膜層是絕緣的，無(wú)法滿足導(dǎo)電性的要求。如何實(shí)現(xiàn)鎂合金表面導(dǎo)電，且具備優(yōu)異的電磁屏蔽效果是一大問(wèn)題。采用導(dǎo)電的金屬鍍層是解決這一問(wèn)題的有效措施，但實(shí)際應(yīng)用中還需要綜合考慮工程材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，鍍層的結(jié)合力，以及金屬鍍層防腐存在的電偶腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。由于鎂合金化學(xué)活性高，常用的金屬鍍層為鎳、銅、鉻等，一方面鎂與這些金屬鍍層的物理性質(zhì)差異大，導(dǎo)致鍍層的結(jié)合力差；另一方面，這些金屬鍍層都是陰極性鍍層，一旦鍍層局部存在微小的缺陷，在腐蝕介質(zhì)的作用下，將導(dǎo)致嚴(yán)重的電偶腐蝕，鎂基材將很快失效，比沒(méi)有鍍層的情況的腐蝕速率高很多。尤其實(shí)際部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊角、凹槽、孔隙等都是極易產(chǎn)生缺陷的位置，如處理不當(dāng)，將造成部件的加速失效，因此鎂合金表面鍍覆金屬鍍層有很大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，要求鍍層結(jié)合力好、且沒(méi)有缺陷，對(duì)于科研人員而言也是極大的挑戰(zhàn)。
針對(duì)以上問(wèn)題，韓恩厚研究員帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，終于在基礎(chǔ)研究基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷的實(shí)踐嘗試和生產(chǎn)工藝優(yōu)化找到了解決方法，決定采用化學(xué)鍍鎳的表面處理技術(shù)。通過(guò)恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法使得鍍層在鎂合金基體上起到“釘扎”效應(yīng)，解決了鍍層結(jié)合力差的難題。同時(shí)采用多層鍍的方法，如果底層鍍層中存在缺陷，接下來(lái)的鍍層可以把先前的缺陷覆蓋上，這樣避免貫穿缺陷的存在，最終在鎂合金表面沉積一層具有良好結(jié)合力、耐蝕、導(dǎo)電性的金屬鍍層。
從試驗(yàn)室的制備工藝向?qū)嶋H生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，還面臨許多意想不到的困難。生產(chǎn)過(guò)程中，鎂基體面積增大會(huì)加快成膜反應(yīng)速率，不僅對(duì)鍍層結(jié)合性能造成影響，同時(shí)也會(huì)降低鍍液的穩(wěn)定性。如何在大面積、復(fù)雜工件表面均勻沉積金屬鍍層也是一大難點(diǎn)。在腐蝕領(lǐng)域深耕多年的韓恩厚研究員很快發(fā)現(xiàn)需要對(duì)鍍液的特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過(guò)建立鍍液使用控制規(guī)范，不但提高了鍍液的利用率，且能保持鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了滿足任務(wù)需求的導(dǎo)電性鍍層，且能提供更優(yōu)異的電磁屏蔽效果，已在嫦娥系列數(shù)百個(gè)鎂合金部件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。韓恩厚研究員榮獲“探月工程嫦娥四號(hào)任務(wù)突出貢獻(xiàn)者”。除了導(dǎo)電鍍層外，韓恩厚研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)耐蝕性要求更高的領(lǐng)域，發(fā)展了鎂合金自封孔型微弧氧化技術(shù)，耐蝕性比傳統(tǒng)技術(shù)提高4-5倍，可同時(shí)滿足地面儲(chǔ)存耐腐蝕、在太空使用時(shí)抗高低溫、強(qiáng)輻射等綜合性能要求，已成功在長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的鎂質(zhì)慣組支架上使用。長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的成功發(fā)射也證明了以上防護(hù)涂層技術(shù)的安全可靠性和先進(jìn)性。
環(huán)境變更 技術(shù)革新
與嫦娥系列前三次發(fā)射不同，“嫦娥五號(hào)”的任務(wù)更重、規(guī)模更大、難度更高、要解決的科學(xué)難題更多。在“嫦娥五號(hào)”之前，我國(guó)的探月探測(cè)器均在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心進(jìn)行發(fā)射，但是基于發(fā)射效率、安全性及運(yùn)輸便利性考慮，“嫦娥五號(hào)”的發(fā)射場(chǎng)地在海南文昌，這一環(huán)境的變更，為鎂合金表面涂層又帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。文昌航天發(fā)射基地處于熱帶海洋性氣候帶，具有“高溫、高濕、高鹽”的特點(diǎn)，這種苛刻的環(huán)境將加速材料的腐蝕失效進(jìn)程。據(jù)悉，所有文昌發(fā)射的航天部件需要經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)五到七天的海上運(yùn)輸，且一般需要存放一段時(shí)間后才能正式發(fā)射，較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期間將對(duì)航天材料的耐腐蝕性能帶來(lái)極大的考驗(yàn)。環(huán)境的變化催生了技術(shù)的變革，韓恩厚研究員團(tuán)隊(duì)從鍍液組分、預(yù)處理狀態(tài)、化學(xué)鍍工藝步驟及后處理參數(shù)等工序進(jìn)行大量系統(tǒng)的嘗試及優(yōu)化，并對(duì)凹槽、孔隙等特殊位置的細(xì)節(jié)處理進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，最終研制出了滿足新環(huán)境的鎂合金防腐導(dǎo)電性鍍層。
護(hù)航奔月 未來(lái)可期
從“嫦娥三號(hào)”到“嫦娥五號(hào)”，韓恩厚研究員團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)在探月工程中始終發(fā)揮著重要作用。此外，該團(tuán)隊(duì)的其他技術(shù)也在“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭中有所應(yīng)用，為“嫦娥奔月”保駕護(hù)航。而就鎂合金導(dǎo)電性鍍層而言，因其具有極好的電磁屏蔽性及防腐效果，還可以應(yīng)用在更多航天器的集成電路板外殼、天線接收器外殼的功能性表面處理上。但對(duì)于需要更長(zhǎng)時(shí)間在海洋環(huán)境使用的鎂合金部件，現(xiàn)階段的鎂合金導(dǎo)電鍍層防腐效果仍有較高提升空間，使其適用于更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，鎂合金表面防護(hù)工作任重而道遠(yuǎn)。
十年時(shí)間，韓恩厚研究員團(tuán)隊(duì)在一層薄薄的涂層上面嘔心瀝血，用心鉆研，為我國(guó)探月事業(yè)發(fā)展提供了保障。韓恩厚研究員團(tuán)隊(duì)同許許多多的中國(guó)科學(xué)家一樣，堅(jiān)守在自己的科研領(lǐng)域不斷探索，披荊斬棘，不斷為我國(guó)科技事業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量！(完)
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