研究空間原子氧輻照對(duì)厚壁不銹鋼管性能的影響
研究空間原子氧輻照對(duì)厚壁不銹鋼管性能的影響。方法將厚壁不銹鋼管試樣置于束流密度為2.5×1016atoms/(cm2·s)的原子氧束中進(jìn)行輻照試驗(yàn)，最長(zhǎng)輻照時(shí)間為300min。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，厚壁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)致厚壁不銹鋼管接觸角增大，耐磨性能提高，耐腐蝕性能下降。結(jié)論得到的厚壁不銹鋼管原子氧環(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（lowearthorbit，LEO）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(lái)，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(kāi)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。
厚壁不銹鋼管是航空航天常用材料之一，它具有高耐腐蝕性[5—9]、高塑性，良好的焊接性能[10]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于原子氧對(duì)厚壁不銹鋼管影響的數(shù)據(jù)非常少，為了保證航空航天特殊使用時(shí)厚壁不銹鋼管的可靠性，有必要對(duì)厚壁不銹鋼管的原子氧效應(yīng)進(jìn)行深入研究。因此，文中以201型普通奧氏體厚壁不銹鋼管（牌號(hào)為1Cr17Mn6Ni5N）為例，研究了原子氧作用對(duì)厚壁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。
1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[11]。這種設(shè)備是原子氧地面模擬設(shè)備中最簡(jiǎn)單的一類(lèi)，即氧等離子體設(shè)備[12]，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(lái)獲取原子氧與材料相互作用的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[13]研究表明，該類(lèi)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(lái)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。具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)材料為1Cr17Mn6Ni5N厚壁不銹鋼管，試樣尺寸為40mm×30mm×1mm。在原子氧輻照試驗(yàn)前，所有試樣在無(wú)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。
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