航天器用非晶合金空间热环境蠕变行为研究

Amorphous alloys are indentified as the key materials of extendable cylindrical equipment and tensile sensors in spacecraft owing to their extraordinary high strength, elasticity and hardness. In the enlistment, amorphous alloys would be suffered high temperature environment and mechanical stresses. Severe creep deformation may happen and the accuracy of expandedness and maintenance will be destroyed. Little research on creep behaviors in tension of amorphous alloys at high temperature range in space (150~200℃) were carried out and the mechanism of creep are hardly understood by structure relaxation theory in the neighborhood of glass transition temperature of amorphous alloys. Recent results indicated that free volume of amorphous alloys after creep deformation increases by indentation or compression. In this project, the tensile creep behaviors of amorphous alloys as required in space are investigated. The creep rate, stress rapture strength and enlistment life will be studied. By measuring and evaluating of density, thermal behaviors and modulus of amorphous alloys before and after creep deformation respectively, the inherence relationship between free volume and creep behaviors will be founded and the mechanism of creep will be investigated based on free volume multiplication model.

非晶合金因具有高强度、高弹性、高硬度等力学特性，已成为航天器盘压伸杆机构和张力传感器的关键选用材料。航天器服役过程中，非晶合金在空间受热辐射及机构应力作用下产生的蠕变变形将直接影响太阳能电池和天线等展开机构的展开精度和保持程度。非晶合金在空间环境上限温度范围（150~200℃）拉伸蠕变变形行为研究较少，在该温度区间的蠕变变形机理很难采用玻璃转变温度附近非晶合金结构弛豫理论来解释。目前，通过压缩蠕变的方式发现蠕变变形后合金的自由体积有明显的增殖。本项目将以航天器用非晶合金在空间温度环境下的拉伸蠕变行为为研究对象，研究非晶合金蠕变变形速率、持久强度，并依据其蠕变速率对合金的服役寿命进行评估；通过测试和分析蠕变变形前后合金的密度、热性能和模量等参数的变化情况，建立自由体积与非晶合金蠕变行为的内在关联，基于自由体积模型探索影响非晶合金蠕变变形的机理。

摘要：.本项目依据项目计划书（项目批准号：51301196）开展了相关内容的研究工作，主要涉及非晶态合金在空间热环境条件下的蠕变行为研究，发现了不同温度条件下其非晶合金的蠕变行为与自由体积和流变行为有密切的关系。本项目采用了Zr基非晶合金作为主要研究对象，获取了大形成能力的非晶合金体系。分别采用了5mm棒状蠕变式样，2mm板材台肩式样和2mm板材销钉式样作为蠕变试验的大尺寸式样。蠕变试验采用了压缩和拉伸两种不同的宏观蠕变实验方式。压缩蠕变试验发现，在200℃条件下，非晶合金即使在高载荷条件下的蠕变形变量极小，仅为0.5%，远低于其他工程类合金。而在300℃条件下，相同载荷的蠕变行为发生了明显的变化，表现为明显的流变行为。在拉伸条件下，该流变性为体现为宏观的均匀形变特征，其1200MPa、800MPa和400MPa不同的载荷跨度幅度下，均为类似的流变变形行为。其中1200MPa载荷下的蠕变式样表现为典型的三段式蠕变曲线，而800MPa和400MPa未出现第三阶段加速蠕变的现象就发生了断裂。不同的蠕变方式也未后续研究提供了进一步研究的空间和内容。对蠕变后的式样经显微观察分析，未发现变形区域有明显的剪切带出现，也进一步证明了其均匀变形的流变特征。对不同工况下的合金的热物理性能进行了表征，获得了不同实验条件下的DSC曲线，表明式样的自由体积在该形变中起到了重要的作用。项目支持下发表多篇科技论文，申请国防发明专利一项，培养研究生3名，参加国际会议2次，组织国内研讨会1次。在项目支持下，本项目研究成果直接应用于我国航天器某型号卫星的关键部件，对合金的热物理性能进行了全面表征，制备了大尺寸复杂试件并采用机械加工手段获得了最终产品。该产品作为卫星产品的备份件参与了产品的地面考核验证全流程。后续产品拟用于新型产品的空间应用和其他领域的产品设计试验。