铝合金热控氧化膜多因素耦合失效行为及其热控性能调控机制研究

Lots of research on aluminum anodic oxide thermal control film corrosion resistance have been researched, but the aluminium alloy combined thermal control performance and cracking resistance of system research is still insufficient.For example,thermal control oxide film layer in the vacuum irradiation, alternating high and low temperature alternating hot and humid, the process of failure under the action of different environments, such as, internal membrane layer composition, internal stress and micro-structure characteristics and the change of the respect such as thermal control performance. What is the difference? About these problem is lack of understanding. This project target spacecraft product problems in the process of ground tests, and subsequent face challenges in the process of long life service, through the thermal control system for vacuum aluminum alloy oxidation film damage failure mechanism and the long life and low stress research work in aspects of film preparation, obtain membrane layer under the action of multiple factors coupling thermal control performance, mechanical property, reveal the vacuum irradiation - high and low temperature alternating thermal control coupling environment comprehensive failure mechanism of oxide film and membrane layer physical properties affect the scientific nature of the; On this basis, through the membrane layer structure design and control, development of new type of long life, high stability of the thermal control anodized layer, solve the bottleneck problem of the spacecraft reliability and life expectancy, the development of long life orbiting spacecraft to provide theoretical and technical support。

铝合金阳极氧化膜层的热循环下的耐蚀性、以及热控膜层已经有了不少研究，但将铝合金热控性能与抗开裂性能结合起来的系统研究还不足。例如，热控氧化膜层在真空辐照、大气交变湿热、高低温交变等不同环境作用下的失效过程中，膜层内部组成、内应力、微观结构特征与热控性能等方面的变化有什么相同及不同之处？关于这些问题还缺少深入的了解。本项目瞄准航天器产品在地面测试过程中出现的问题，以及后续长寿命服役过程中面临的挑战，通过系统深入开展真空环境下铝合金热控氧化膜损伤失效机理及长寿命低应力膜层制备等方面的研究工作，获得膜层在多因素耦合作用下的热控性能、力学性能变化规律，揭示真空辐照-高低温交变耦合环境下热控氧化膜的综合失效机制及膜层物理特性影响的科学本质；在此基础上，通过膜层结构设计与控制，研制新型长寿命、高稳定性的热控阳极氧化膜层，解决制约航天器可靠性和寿命的瓶颈问题、发展长寿命在轨航天器提供理论和技术支持。

本论文针对航空航天用铝合金零件温控氧化膜层在热学环境试验后发生脱落的问题，主要分析了铝合金表面处理各主要工序包括阳极氧化、染色、封闭对膜层质量的影响，以及热学环境试验后温变条件、铝合金不同热处理状态、机加工方式、加工形貌及残余应力等对膜层开裂等行为的影响，探讨了热学环境试验后发生不良的膜层进行失效原因分析，阐明了导致膜层脱落的内在机理，并在此基础上探讨了阳极氧化及封闭处理液配方及工艺参数对膜层影响，获得了优化工艺，并通过了工艺鉴定。主要结果如下：.（1）热学环境试验后温控氧化膜层出现开裂脱落，首先从边缘部分开始，呈韧窝状断裂，其中脱落颗粒元素中主要存在Mg、Si、S、C等元素。.（2）对于硫酸阳极氧化膜而言，染色与否对硫酸阳极氧化膜层表面质量无明显影响，裂纹并不是在染色过程中产生；恒温烘干对于阳极氧化膜层微观形貌亦无明显影响；阳极氧化膜层裂纹由封闭工序开始产生，并随着镍盐封闭时间的延长呈严重态势；环境试验中的冷热交变的温变条件可以加深膜层微观上的裂纹生长；数铣加工将加大膜层脱落的几率。.（3）针对2A12-H112和 2A14-H112两种铝合金，获得了优化的阳极氧化工艺配方及工艺参数，即：硫酸浓度为280-340g/L，温度5±1℃，时间110-120min；获得了优化的中温封闭工艺，即：SY-2中温封闭剂，浓度2.5-3%，温度70-85℃，时间110-120min。.（4）研究了硫酸阳极氧化技术中硫酸浓度、氧化电压和氧化时间对新型铝合金阳极氧化膜的耐腐蚀性的影响。研究表明：随着硫酸浓度的增加，氧化膜成膜速率先增加后减少。随着氧化电压的增加，氧化膜的电压增加，氧化膜膜厚依次增加，但是当电压过高时，会发生“起灰”现象。随着氧化时间的增加，氧化膜的厚度依次增加，当氧化时间达到30min后，氧化膜成膜速率增加。盐雾实验和高低温实验表明，温度为14℃下，硫酸浓度为180～200g/L，氧化电压为14V下，氧化时间在20～40min下的氧化膜都具有较好的耐腐蚀性。