來源:廣州日報

“嫦娥五號”背后的廣州力量

十年鉆研 只為薄薄一層涂層

北京時間12月17日1時59分，探月工程嫦娥五號返回器成功著陸。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題，中國科學(xué)院沈陽分院院長、廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院院長韓恩厚是腐蝕防護領(lǐng)域的頂級科學(xué)家，他帶領(lǐng)團隊攻克了傳統(tǒng)鎂合金防護涂層無法同時滿足防腐和導(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”。

十年來，韓恩厚團隊不斷致力于技術(shù)的改進，研制出應(yīng)用在“嫦娥五號”探測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)的長征五號運載火箭上的鎂質(zhì)慣組支架的腐蝕防控核心技術(shù)。

10年前與嫦娥結(jié)緣

減重對航天器至關(guān)重要，為實現(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，但其本身極易被腐蝕，這一直是影響其規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

“讀碩士時我就和腐蝕防控結(jié)下了不解之緣，如今在這個領(lǐng)域已有30多年積淀。”韓恩厚告訴記者，其科研生涯基本與腐蝕科學(xué)與工程相關(guān)，也希望能夠通過腐蝕防控技術(shù)服務(wù)于國家重大工程實施。

2010年4月，韓恩厚的團隊初次接觸“嫦娥三號”項目，當(dāng)時韓恩厚的學(xué)生宋影偉在博士期間已針對AZ91鎂合金化學(xué)鍍及納米化學(xué)復(fù)合鍍進行了歷時3年的研究。在韓恩厚的指導(dǎo)及宋影偉的摸索下，他們最終在小面積實驗試片上制備出均勻、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)時的工藝仍處于實驗室階段，處理的樣品尺寸較小，形狀構(gòu)造簡單，且受限于航天鎂合金的應(yīng)用起步較晚，尚未有對大尺寸，復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗。隨后韓恩厚與中國科學(xué)院金屬研究所單大勇研究員與航天企業(yè)開展項目合作，正式開啟了該技術(shù)的航天應(yīng)用之旅。

突破金屬鍍層的大難題

“神舟五號”發(fā)射測試階段，韓恩厚與單大勇發(fā)現(xiàn)鎂合金在航天應(yīng)用中存在問題。鎂合金基體在大氣環(huán)境中表面會迅速形成一層自然氧化膜，但這層膜缺陷多，不致密，無法起到防護作用。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)對鎂合金進行表面處理，無法滿足導(dǎo)電性的要求。如何實現(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題。

采用導(dǎo)電的金屬鍍層是解決這一問題的有效措施，但實際應(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。韓恩厚帶領(lǐng)團隊在不斷實踐嘗試中找到了解決方法——采用化學(xué)鍍鎳的表面處理技術(shù)。通過恰當(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。同時采用多層鍍的方法，如果底層鍍層中存在缺陷，接下來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。

然而，生產(chǎn)過程中，鎂基體面積增大會加快成膜反應(yīng)速率，不僅對鍍層結(jié)合性能造成影響，同時也會降低鍍液的穩(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。

韓恩厚很快發(fā)現(xiàn)需要對鍍液的特性進行系統(tǒng)研究。通過建立鍍液使用控制規(guī)范，不但提高了鍍液的利用率，還能保持鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定性，最終生產(chǎn)出滿足任務(wù)需求的導(dǎo)電性鍍層，能提供更優(yōu)異的電磁屏蔽效果，已在嫦娥系列數(shù)百個鎂合金部件上應(yīng)用。

除了導(dǎo)電鍍層外，韓恩厚團隊還發(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，可同時滿足地面儲存耐腐蝕、在太空使用時抗高低溫、強輻射等綜合性能要求，已成功在長征系列運載火箭的鎂質(zhì)慣組支架上使用。長征系列運載火箭的成功發(fā)射也證明了以上防護涂層技術(shù)的安全可靠性和先進性。

克服“嫦娥五號”帶來的新挑戰(zhàn)

在航天材料耐腐蝕領(lǐng)域的創(chuàng)新，讓韓恩厚獲得了“探月工程嫦娥四號任務(wù)突出貢獻者”稱號。

此前，中國的探月探測器均在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心進行發(fā)射，基于發(fā)射效率、安全性及運輸便利性考慮，“嫦娥五號”的發(fā)射場地在海南文昌，鎂合金表面涂層因為環(huán)境的變更迎來了新挑戰(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，這種環(huán)境將加速材料的腐蝕失效進程。記者了解到，所有文昌發(fā)射的航天部件需要經(jīng)歷長達(dá)五到七天的海上運輸，且一般需要存放一段時間后才能正式發(fā)射，較長的儲存期間將對航天材料的耐腐蝕性能帶來極大的考驗。

韓恩厚團隊從鍍液組分、預(yù)處理狀態(tài)、化學(xué)鍍工藝步驟及后處理參數(shù)等工序進行大量系統(tǒng)的嘗試及優(yōu)化，并對凹槽、孔隙等特殊位置的細(xì)節(jié)處理進行針對性改進，最終研制出了滿足新環(huán)境的鎂合金防腐導(dǎo)電性鍍層。

從“嫦娥三號”到“嫦娥五號”，十年來，韓恩厚團隊在一層薄薄的涂層上嘔心瀝血。今年3月，由他擔(dān)任院長的廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院落戶廣州市黃埔區(qū)。研究院以耐腐蝕材料、表面改性技術(shù)、腐蝕防腐涂料與涂層、緩蝕劑、陰極保護、監(jiān)檢測技術(shù)、結(jié)構(gòu)安全評價與壽命預(yù)測七大技術(shù)為主研發(fā)方向。

“對于需要更長時間在海洋環(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。要使其適用于更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，鎂合金表面防護工作任重而道遠(yuǎn)?！彼硎?。（記者 龍錕）