原子氧对厚壁不锈钢管的影响

发布时间：2020-05-24 14:41:55 丨 浏览次数：

研究了空间原子氧辐照对厚壁不锈钢管性能的影响。方法用原子氧束照射厚壁不锈钢管样品，束密度为2.5 1016原子/(cm2s)，最长照射时间为300分钟。研究了样品质量、光学性能、接触角、耐磨性和耐腐蚀性随辐照时间的变化。结果原子氧辐照后，厚壁不锈钢管表面形成的氧化物质量增加。随着辐照时间的增加，样品的光谱反射率降低，太阳吸收率增加。原子氧效应导致厚壁不锈钢管的接触角增大，耐磨性提高，耐腐蚀性降低。结论获得的厚壁不锈钢管原子氧环境效应数据可为其在低轨航天器中的应用提供理论依据。

低地轨道(LEO)是指距离地球表面200 ~ 700公里的轨道空间。原子氧是低地球轨道环境中大气的主要成分，是由氧分子在太阳辐射的光诱导分解下产生的。原子氧和航天器材料之间的相互作用会导致材料的剥蚀和材料性能的退化，从而影响航天器的正常运行。自20世纪80年代以来，美国航天局(美国航天局)、欧空局等人借助空间站和航天飞机开展了广泛的空间运载实验，并进行了地面模拟实验，积累了大量关于空间材料原子氧效应的实验数据。结果表明，原子氧是低轨航天器材料失效的主要原因。

厚壁不锈钢管是航天领域常用的材料之一。它具有高耐蚀性[5-9]，高塑性和良好的焊接性能[10]。目前，国内外关于原子氧对厚壁不锈钢管影响的数据很少。为了保证航天专用厚壁不锈钢管的可靠性，有必要对厚壁不锈钢管的原子氧效应进行深入研究。因此，以201型普通奥氏体厚壁不锈钢管(牌号。以1Cr17Mn6Ni5N为例，研究了原子氧对厚壁不锈钢管性能的影响，为航天器空间环境效应防护设计提供技术支持。

1测试方法

原子氧辐照试验是在射频源原子氧地面模拟设备上进行的。射频源原子氧装置由进气口、水冷系统、应时玻璃管、接线电极、感应线圈等部分组成。其原理是通过射频感应耦合放电电离进入应时玻璃管中的氧，在真空室[11中产生均匀的大流量氧等离子体。这种设备是最简单类型的原子氧地面模拟设备，即氧等离子体设备[12]。它不追求光束的质量，而是产生大通量、低能量的原子氧束。该束用于对材料进行加速辐照试验，以获得原子氧和材料之间相互作用的数据。文献[13]表明，由这种设备产生的氧等离子体的主要成分是中性原子氧。因此，该设备温州不锈钢管可用于进行原子氧地面模拟试验，以描述原子氧对材料的损伤效应和材料对原子氧剥蚀的抵抗力。具体测试参数见表1。试验材料为1Cr  17 Mn  6 Ni5N  厚壁不锈钢管，试样尺寸为40 mm 30 mm 1 mm。原子氧辐照试验前，所有试样在无水乙醇中超声清洗20min，去除试样表面污染物，然后进行初步性能试验。

用赛多利斯， 德国MC21S高精度电子天平称量样品质量；使用美国Perkin-Elmer公司生产的Lambda950紫外-可见-近红外分光光度计304不锈钢管(紫外/可见/近红外分光光度计)测试原子氧辐照前后样品的光谱反射率，并根据光谱反射率计算太阳吸收率。样品的接触角用上海梭伦公司生产的SL200ABD接触角测量仪测量

2.1质量损失

厚壁不锈钢管在有氧环境下的氧化一般分为两个阶段。第一阶段是快速氧化阶段。在此过程中，厚壁不锈钢管表面将形成钝化和致密的富铬氧化物，这将迅速提高厚壁不锈钢管的质量。第二阶段是缓慢氧化阶段。在前一阶段形成的氧化物减缓了随后的氧化过程，直到完全停止。在此过程中，厚壁不锈钢管的质量变化不大。氧化膜的厚度与曝光时间和环境温度速率等因素密切相关。通常，温度越高，时间越长，氧化膜的厚度越大。

显示了不同时间如图1原子氧辐照前后厚壁不锈钢管的质量变化。从图1可以看出，原子氧照射后样品的质量增加，照射时间越长，质量增加越明显。分析表明，这是由于原子氧与厚壁不锈钢管表面发生氧化反应生成氧化物。随着辐照时间的延长，生成越来越多的氧化物，质量增加也越来越大。说明在实验条件下，原子氧对厚壁不锈钢管样品的影响处于快速氧化阶段。