姜海富，李勝剛，田修波，柴麗華，秦瑋，于強(qiáng)

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國石油天然氣管道局東南亞項(xiàng)目經(jīng)理部，河北廊坊065000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；4.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京100124）

原子氧對不銹鋼的作用

姜海富1，李勝剛2，田修波3，柴麗華4，秦瑋1，于強(qiáng)1

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國石油天然氣管道局東南亞項(xiàng)目經(jīng)理部，河北廊坊065000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；4.北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京100124）

目的研究空間原子氧輻照對不銹鋼性能的影響。方法將不銹鋼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)，最長輻照時間為300 min。研究隨輻照時間增加，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，不銹鋼表面生成氧化物質(zhì)量增加；隨輻照時間增加，試樣光譜反射系數(shù)呈下降趨勢，太陽吸收比增加；原子氧作用導(dǎo)致不銹鋼接觸角增大，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)。

不銹鋼；原子氧；太陽吸收比；耐腐蝕性能

低地球軌道（low earth orbit，LEO）指距地球表面200～700 km的軌道空間，原子氧是低地球軌道環(huán)境大氣的主要組分，是氧分子在太陽輻射的光致解離作用下產(chǎn)生的[1]。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[2—4]。

不銹鋼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，國內(nèi)外關(guān)于原子氧對不銹鋼影響的數(shù)據(jù)非常少，為了保證航空航天特殊使用時不銹鋼的可靠性，有必要對不銹鋼的原子氧效應(yīng)進(jìn)行深入研究。因此，文中以201型普通奧氏體不銹鋼（牌號為1Cr17Mn6Ni5N）為例，研究了原子氧作用對不銹鋼性能的影響，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)備中最簡單的一類，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)見表1。

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

表1 原子氧輻照試驗(yàn)參數(shù)Table1 Parameters of atomic oxygen irradiation test

采用德國賽多利斯MC21S型高精密電子天平稱量試樣質(zhì)量；采用美國Perkin-Elmer公司生產(chǎn)的Lambda950型紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)（UV/ Vis/NIR Spectrophotometer）對原子氧輻照前后試樣的光譜反射系數(shù)進(jìn)行測試，并由光譜反射系數(shù)計(jì)算太陽吸收比；采用上海梭倫公司生產(chǎn)的SL200ABD型接觸角測量儀測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)綜合測試系統(tǒng)測試試樣耐腐蝕性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失

不銹鋼在有氧環(huán)境中的氧化一般分為兩個階段，第一階段為快速氧化階段，該過程中不銹鋼表面會形成鈍化的、致密的富鉻氧化物，使不銹鋼質(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，該過程中不銹鋼質(zhì)量變化較小[14]。氧化膜的厚度與暴露時間、環(huán)境溫度率等因素密切有關(guān)，通常溫度越高、時間越長，氧化膜的厚度越大[15—16]。

不同時間原子氧輻照前后不銹鋼質(zhì)量變化如圖1所示。由圖1可知，經(jīng)原子氧輻照后，試樣的質(zhì)量呈增加的趨勢，且輻照時間越長，質(zhì)量增加越明顯。分析認(rèn)為，這是由于原子氧與不銹鋼表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物所致。隨輻照時間的延長，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)條件下原子氧對不銹鋼樣品的作用處于快速氧化階段。

圖1 原子氧輻照前后不銹鋼質(zhì)量變化Fig.1 Mass change of stainless steel before and after AO irradiation

2.2 光學(xué)性能變化

不同時間原子氧輻照前后試樣反射光譜的變化曲線如圖2所示。由圖2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，且隨著輻照時間的延長反射系數(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，且處理時間越長，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，而光亮的不銹鋼表面光譜反射系數(shù)較高。隨著原子氧作用時間的延長，氧化物越來越厚，造成光譜反射系數(shù)越來越低。

圖2 原子氧輻照前后不銹鋼反射光譜Fig.2 The reflectance spectra of stainless steel before and after AO irradiation

原子氧輻照前后不銹鋼試樣太陽吸收比的變化曲線如圖3所示。由圖3可見，試樣經(jīng)原子氧作用后其太陽吸收比都呈現(xiàn)增加的趨勢，經(jīng)300 min輻照后增量約為0.016。

圖3 原子氧輻照前后不銹鋼太陽吸收比Fig.3 The solar absorption ratio of stainless steel before and after AO irradiation

2.3 接觸角變化

影響材料潤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)。

圖4 原子氧輻照前后不銹鋼接觸角變化Fig.4 The contact angle of stainless steel before and after AO irradiation

2.4 摩擦磨損性能變化

不同時間原子氧輻照后試樣摩擦系數(shù)的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，試樣摩擦系數(shù)的變化分為兩個階段：第一階段，試樣的摩擦系數(shù)隨時間的增加逐漸升高，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，且氧化層磨穿的時間也比原始試樣長，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)[15，18]表明，不銹鋼經(jīng)氧化后，表面的Cr會富集，F(xiàn)e會貧化，生成的氧化物主要為Cr2O3。由于Cr2O3的耐磨性能比不銹鋼好，所以摩擦系數(shù)均低于原始樣品。從圖5中還可以看出，60 min輻照試樣的耐磨性能好于180 min輻照的樣品，這與試樣表面氧化層的粗糙度相關(guān)。原子氧與不銹鋼表面作用時，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60 min輻照試樣；當(dāng)處理時間達(dá)到300 min時，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。

圖5 原子氧輻照前后不銹鋼摩擦系數(shù)Fig.5 The friction coefficient of stainless steel before and after AO irradiation

2.5 電化學(xué)腐蝕性能分析

電化學(xué)腐蝕是評價金屬耐腐蝕性能的一種最常見的方法，其中Tafel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價耐腐蝕性能。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。

不同時間原子氧輻照前后不銹鋼腐蝕性能的變化如圖6所示。圖6a為試樣Tafel極化曲線，圖6b為腐蝕電位和腐蝕電流變化曲線。由圖6可知，試樣的腐蝕電位整體上呈現(xiàn)下降趨勢。腐蝕電流除180 min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經(jīng)原子氧輻照后表面的Cr元素富集，并與原子氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cr2O3，使不銹鋼貧Cr[19]，從而使其耐腐蝕性能降低。

圖6 原子氧輻照前后不銹鋼腐蝕性能變化Fig.6 Variation in corrosion properties of stainless steel before and after AO irradiation

3 結(jié)論

1）1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼在有氧環(huán)境中的氧化分為快速氧化和緩慢氧化兩個階段，文中試驗(yàn)條件下原子氧與不銹鋼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。

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

3）原子氧輻照使1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼的耐磨性能提高，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不銹鋼的耐腐蝕性能下降，主要是不銹鋼表面貧Cr的緣故。

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Irradiation Effect of Atomic Oxygen on Stainless Steel

JIANG Hai-fu1，LI Sheng-gang2，TIAN Xiu-bo3，CHAI Li-hua4，QIN Wei1，YU Qiang1
（1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory，Beijing 100094，China；2.China Petroleum Pipeline Bureau Southeast Asia，Langfang 065000，China；3.School of Materials Science&Engineering，Harbin Institute of Technology，State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology，Harbin 150001，China；4.School of Materials Science&Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Objective To study the irradiation effect of atomic oxygen(AO)on stainless steel.Methods AO irradiation test of stainless steel was conducted using an AO simulation facility with AO flux of 2.5×1016atoms/cm2·s and the maximum irradiation time was 300 min.The variations of mass,optical property,contact angle,wear resistance and corrosion resistance of the specimens with prolonged irradiation time were investigated.Results After AO exposure,metal oxides were found on the surface of stainless steel,leading to increase of sample mass.The spectrum reflectance of copper decreased with the increasing irradiation time,while the solar absorption ratio showed the oppositetrend,which increased with increasing irradiation time.In addition,AO irradiation resulted in the increase of contact angle and wear resistance property,and meanwhile decrease of corrosion résistance property.Conclusion AO effect data of stainless steel was obtained,which can provide theoretical support for the application of stainless steel in low earth orbit spacecraft.

stainless steel；atomic oxygen；solar absorption ratio；corrosion resistance property

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.002

TJ86；V11

：A

1672－9242（2016）02－0008-05

2015-10-25；

2015-11-24

Received：2015-10-25；Revised：2015-11-24

姜海富（1980—），男，河北廊坊人，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱鞑牧峡臻g環(huán)境效應(yīng)。

Biography：JIANG Hai-fu（1980—），Male，from Langfang，Hebei，Ph.D.，Senior engineer，Research focus：effects of space environment on spacecraft materials.