空间环境大电流滚动电接触涂层长期服役劣化机制与合金体系设计研究

Large current rotary conducting joint technology is one of the bottlenecks in massive space applications, in which the rolling electrical contact under high transmission power is the key problem. Fortunately, Plasma spraying surface engineering technology provides a new way to solve this problem. First, this project will focus on the relationship between the characteristics of electrical contact coating and corresponding preparation process. The formation mechanism of the electrical contact coating will be obtained by monitoring and mathematical modeling of the spraying process, and comprehensive testing of the coating performance. Second, the time-frequency domain characteristics of contact resistance, the coating microstructure and mechanical properties will be analyzed comparatively. A multi-physics coupling rolling electrical contact model based on fractal geometry will be established. Thus, we will reveal the surface topography characteristics of low and stable contact resistance, and the thermal mechanism of the contact resistance of large current rolling electrical contact coating under space environment. Thirdly, based on the wear test and contact failure analysis in the long run of the rolling electrical contact, the influence of Joule heat on the wear of long serving coating and the critical condition of partial melting will be investigated. The coating degradation rule and failure criterion will be indicated, and the degradation mechanism of coating under long term impact of Joule heat will be revealed. At last, this project will propose a low resistance, highly stable and long life time rolling ring coating alloy system and preparation process based on the research work. The prototype will be tested to verify the conclusion of this research project, which will establish a theoretical foundation for the engineering prototype design of large current conducting rotary joint.

大电流旋转导电关节是超大型空间应用的瓶颈技术之一，关键是解决滚动电接触的大电流问题，而表面工程等离子喷涂方法为该问题的解决提供了新途径。本项目首先通过喷涂过程监测、涂层性能综合测试和喷涂数学模型分析，获得电接触涂层特征与制备工艺的对应关系及形成机理。其次对照分析接触电阻时频域特性与涂层微观组织及力学特性，建立分形几何模型与多场耦合相结合的滚动电接触模型，寻求接触电阻低而稳定的涂层微观特征，揭示空间环境大电流滚动电接触涂层接触电阻的热作用机理。接着通过长期运行的磨损接触测试和电接触失效模型分析，研究焦耳热对长期服役涂层磨损的影响和局部熔化临界条件，明确磨损对涂层劣化的影响规律和涂层失效判据，揭示热源作用下的涂层长期服役劣化机制。最后提出低电阻，高稳定，长寿命的滚环涂层合金体系设计方案与制备工艺，通过样机测试验证本项目研究结论的正确性，为大电流滚环式旋转导电关节的工程样机设计奠定理论基础。

大电流旋转导电关节是超大型空间应用的瓶颈技术之一，关键是解决滚动电接触的大电流问题，需要获得空间环境大电流滚动电接触长期服役下的涂层劣化与失效机理及主要影响因素，从而获得低电阻、高稳定、长寿命的大电流空间滚动环的设计方案。本项目利用空间环境滚动电接触测试装置及数采系统，对照分析接触涂层表面微观组织形态、力学性能与接触电阻和温度的测量结果，获得了接触电阻低而稳定时的表面微观特征以及影响因素。通过建立材料表面的分形统计模型，同时结合宏观尺度和微观分子动力学模型，考虑接触斑点的受力作用特征，建立了滚动电接触数学模型，研究了接触材料表面的微观形貌与接触特性之间的关系，接触电阻与发热特性的形成机理、关键影响因素及规律。在模拟的空间环境中，测量分析了长期服役时涂层表面的磨损特性、材料转移特性和热、电特性关键参数，研究了滚环和轨道涂层的主要磨损形式。研究了磨损对接触电阻劣化过程的影响规律，明确了涂层电接触失效的特征和判据，获得影响滚动接触耐磨损特性的主要涂层特征，提出了低电阻，高稳定，长寿命的滚环系统设计方案，验证了项目研究的合理性。通过本项目的研究发现，在小于60A的传输电流下，所提出的耦合滚动接触结构的电接触性能可以保持稳定。其使用寿命超过400万转，电路电阻波动不超过1mΩ。发现滚动电接触的磨损机理与传输电流有关。在小电流的情况下，磨损过程受疲劳机制支配，随着传输电流的增加，主要的磨损机制逐渐变为粘合机制。分形电接触模型为我们提供了详细分析微观磨损机理的有效工具，可以用分形维数作为表征磨损模式的关键参数，增加接触点的数量比增加实际接触面积对于提高电接触性能来说更加有效。滚动电接触的劣化过程表现为，当大多数小规模的接触点合并形成较大的接触点时，接触斑点的总数大大减少，则标志着滚动电接触进入快速退化的阶段。