原子氧輻照對(duì)不銹鋼管性能的影響有哪些

 目前，浙江至德鋼業(yè)有限公司研究空間原子氧輻照對(duì)不銹鋼管性能的影響，檢測(cè)方法是將不銹鋼管試樣置于束流密度的原子氧束中進(jìn)行輻照試驗(yàn)，最長(zhǎng)輻照時(shí)間為300分鐘。研究隨輻照時(shí)間增加，試樣質(zhì)量、光學(xué)性能、接觸角、耐磨性能、耐腐蝕性能的變化。結(jié)果原子氧輻照后，不銹鋼管表面生成氧化物質(zhì)量增加；隨輻照時(shí)間增加，試樣光譜反射系數(shù)呈下降趨勢(shì)，太陽(yáng)吸收比增加；原子氧作用導(dǎo)致不銹鋼管接觸角增大，耐磨性能提高，耐腐蝕性能下降。結(jié)論得到的不銹鋼管原子氧環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)，可為其在低軌航天器上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

 低地球軌道指距地球表面200～700km的軌道空間，原子氧是低地球軌道環(huán)境大氣的主要組分，是氧分子在太陽(yáng)輻射的光致解離作用下產(chǎn)生的。原子氧與航天器材料相互作用可造成材料的剝蝕，并導(dǎo)致材料性能的退化，進(jìn)而影響飛行器的正常工作。自20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)宇航局（NASA）、歐空局等借助空間站、航天飛機(jī)等廣泛開展了空間搭載試驗(yàn)，并進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)研究，積累了大量空間材料原子氧效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，原子氧是導(dǎo)致低軌航天器用材料失效的主要原因。

 不銹鋼管是航空航天常用材料之一，它具有高耐腐蝕性、高塑性，良好的焊接性能。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于原子氧對(duì)不銹鋼管影響的數(shù)據(jù)非常少，為了保證航空航天特殊使用時(shí)不銹鋼管的可靠性，有必要對(duì)不銹鋼管的原子氧效應(yīng)進(jìn)行深入研究。因此，至德鋼業(yè)以201型普通奧氏體不銹鋼管（牌號(hào)為1Cr17Mn6Ni5N）為例，研究了原子氧作用對(duì)不銹鋼管性能的影響，可為航天器空間環(huán)境效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

一、試驗(yàn)方法

  原子氧輻照試驗(yàn)在射頻源原子氧地面模擬設(shè)備上進(jìn)行，射頻源原子氧裝置由進(jìn)氣口、水冷系統(tǒng)、石英玻璃管、接線電極、感應(yīng)線圈等幾部分組成。其原理就是利用射頻感應(yīng)耦合放電使進(jìn)入石英玻璃管的氧氣離化，在真空室內(nèi)產(chǎn)生均勻的、大通量的氧等離子體。這種設(shè)備是原子氧地面模擬設(shè)備中最簡(jiǎn)單的一類，即氧等離子體設(shè)備，它不追求束流的品質(zhì)，而是追求其產(chǎn)生大通量、低能量的原子氧束，利用這種束流進(jìn)行材料的加速輻照試驗(yàn)，來獲取原子氧與材料相互作用的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)研究表明，該類設(shè)備產(chǎn)生的氧等離子體中主要成分為中性的原子氧。因此，可以用該設(shè)備來進(jìn)行原子氧地面模擬試驗(yàn)，以描述原子氧對(duì)材料的損傷效應(yīng)及材料的耐原子氧剝蝕行為。

  試驗(yàn)材料為1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管，試樣尺寸為40mm×30mm×1mm。在原子氧輻照試驗(yàn)前，所有試樣在無水乙醇中超聲清洗20min，以去除試樣表面污染物，然后進(jìn)行初始性能測(cè)試。

  采用德國(guó)賽多利斯MC21S型高精密電子天平稱量試樣質(zhì)量；采用美國(guó)Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的Lambda950型紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)對(duì)原子氧輻照前后試樣的光譜反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并由光譜反射系數(shù)計(jì)算太陽(yáng)吸收比；采用上海梭倫公司生產(chǎn)的SL200ABD型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試試樣接觸角的變化；采用自研球-盤式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣摩擦磨損性能；采用上海華辰公司CHI604C電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試試樣耐腐蝕性能。

二、結(jié)果與分析

 1. 質(zhì)量損失

  不銹鋼管在有氧環(huán)境中的氧化一般分為兩個(gè)階段，第一階段為快速氧化階段，該過程中不銹鋼管表面會(huì)形成鈍化的、致密的富鉻氧化物，使不銹鋼管質(zhì)量快速增加；第二階段為緩慢氧化階段，前一階段形成的氧化物使后續(xù)氧化過程變慢直至完全停滯，該過程中不銹鋼管質(zhì)量變化較小。氧化膜的厚度與暴露時(shí)間、環(huán)境溫度率等因素密切有關(guān)，通常溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，氧化膜的厚度越大。

  不同時(shí)間原子氧輻照前后不銹鋼管質(zhì)量變化如圖所示。由圖可知，經(jīng)原子氧輻照后，試樣的質(zhì)量呈增加的趨勢(shì)，且輻照時(shí)間越長(zhǎng)，質(zhì)量增加越明顯。分析認(rèn)為，這是由于原子氧與不銹鋼管表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物所致。隨輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，生成的氧化物越來越多，所以質(zhì)量增加也越來越大，說明文中試驗(yàn)條件下原子氧對(duì)不銹鋼管樣品的作用處于快速氧化階段。

 2. 光學(xué)性能變化

  不同時(shí)間原子氧輻照前后試樣反射光譜的變化曲線如圖所示。由圖可知，試樣經(jīng)原子氧輻照后其光譜反射系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)反射系數(shù)下降越來越明顯。還可以看出，原子氧作用前后，反射光譜的變化主要集中在紫外光區(qū)和可見光區(qū)，在紅外區(qū)基本沒有變化。經(jīng)處理后試樣的顏色也都發(fā)生了一定程度的變化，且處理時(shí)間越長(zhǎng)，顏色變的越深，漸呈深黃色。這種變化是由試樣表面生成的氧化物引起的。氧化物的光譜反射系數(shù)較低，而光亮的不銹鋼管表面光譜反射系數(shù)較高。隨著原子氧作用時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化物越來越厚，造成光譜反射系數(shù)越來越低。

 原子氧輻照前后不銹鋼管試樣太陽(yáng)吸收比的變化曲線如圖所示。由圖可見，試樣經(jīng)原子氧作用后其太陽(yáng)吸收比都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，經(jīng)300分鐘輻照后增量約為0.016。

 3. 接觸角變化

  影響材料潤(rùn)濕性能的因素主要是材料本身的界面張力和材料的表面形貌。在不改變材料化學(xué)成分的前提下，通過改變材料表面的形貌來改變材料的潤(rùn)濕性能已經(jīng)引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[17]。原子氧輻照前后不銹鋼管試樣接觸角的變化曲線如圖4所示。由圖4可見，試樣經(jīng)原子氧輻照后其接觸角都增大，這與試樣表面氧化膜的生成及表面能有關(guān)。

  4. 摩擦磨損性能變化

  不同時(shí)間原子氧輻照后試樣摩擦系數(shù)的變化曲線如圖所示。由圖可知，試樣摩擦系數(shù)的變化分為兩個(gè)階段：第一階段，試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的增加逐漸升高，該階段中試樣表面的氧化層逐漸磨損，直到完全破壞；第二階段為對(duì)磨件與較為純凈的金屬表面之間的摩擦，摩擦系數(shù)曲線表現(xiàn)為摩擦系數(shù)基本不變。原子氧輻照試驗(yàn)后，摩擦系數(shù)降低較為明顯，且氧化層磨穿的時(shí)間也比原始試樣長(zhǎng)，說明試驗(yàn)后試樣的耐磨性能較原始試樣有所提高。文獻(xiàn)表明，不銹鋼管經(jīng)氧化后，表面的Cr會(huì)富集，F(xiàn)e會(huì)貧化，生成的氧化物主要為Cr2O3。由于Cr2O3的耐磨性能比不銹鋼管好，所以摩擦系數(shù)均低于原始樣品。從圖5中還可以看出，60min輻照試樣的耐磨性能好于180min輻照的樣品，這與試樣表面氧化層的粗糙度相關(guān)。原子氧與不銹鋼管表面作用時(shí)，最初的Cr2O3優(yōu)先在試樣表面缺陷的位置生成，因此，初始階段生成的氧化物是不連續(xù)的，但由于Cr2O3的耐磨性能較好，因此耐磨性能好于原始樣品；隨著處理時(shí)間的增加，雖然Cr2O3氧化層厚度增大，但試樣表面的粗糙度增加，其耐磨性能卻低于60min輻照試樣；當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到300min時(shí)，試樣表面的氧化層已經(jīng)形成較為連續(xù)的結(jié)構(gòu)，表面粗糙度降低，試樣耐磨性能提高。

  5.電化學(xué)腐蝕性能分析

  電化學(xué)腐蝕是評(píng)價(jià)金屬耐腐蝕性能的一種最常見的方法，其中極化曲線法是最常用的，它是通過腐蝕電位和腐蝕電流的大小來評(píng)價(jià)耐腐蝕性能。腐蝕電流可以通過“直線外推法”來求得。通常，在同一條件下，腐蝕電位越高，腐蝕電流越低，金屬的耐腐蝕性能越好。

  不同時(shí)間原子氧輻照前后不銹鋼管腐蝕性能的變化如圖所示。圖為試樣極化曲線，圖為腐蝕電位和腐蝕電流變化曲線。由圖可知，試樣的腐蝕電位整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。腐蝕電流除180分鐘輻照試樣略低于原始試樣外，其余樣品腐蝕電流均高于原始試樣?？傮w來講，原子氧輻照后，不銹鋼管耐腐蝕性能下降。

  分析認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的主要原因是不銹鋼管經(jīng)原子氧輻照后表面的鉻元素富集，并與原子氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cr₂O₃，使不銹鋼管貧鉻，從而使其耐腐蝕性能降低。

三、結(jié)論

 1. 1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管在有氧環(huán)境中的氧化分為快速氧化和緩慢氧化兩個(gè)階段，文中試驗(yàn)條件下原子氧與不銹鋼管的作用處于快速氧化階段，造成試驗(yàn)后試樣質(zhì)量呈明顯增加趨勢(shì)。

 2. 原子氧輻照導(dǎo)致1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管光譜反射系數(shù)降低，太陽(yáng)吸收比及接觸角增加。

 3. 原子氧輻照使1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的耐磨性能提高，主要是由于試樣表面Cr₂O₃的形成及表面粗糙度變化共同作用的結(jié)果。

 4. 原子氧輻照作用后1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的耐腐蝕性能下降，主要是不銹鋼管表面貧鉻的緣故。