航天器分离面物理嵌合机理及防护方案.pdf

第 期 Chinese Space Science and Technology 航天器分离面物理嵌合机理及防护方案赵启龙 肖余之 刘鲁江（ 上海宇航系统工程研究所 ，上海 ） （ 上海航天技术研究院 ，上海 ）摘要在某航天器研制过程中 ，发现了分离面镀膜后因非冷焊因素导致不能分离的现象 。为探究该现象的产生机理、影响因素和防护方案 ，将铝合金试片表面分别进行不处理 、 本色阳极氧化处理、涂覆二硫化钼处理 、 光亮镀金处理和光亮阳极氧化处理后 ，两两配合加压 ，高真空条件下静置一段时间后 ，在常温常压条件下进行分离试验 ，如果试片未分离 ，重新采用新试片在变温常压条件下静置一段时间后 ，进行分离试验 ，分析各试片表面形貌变化和元素转移等情况。 试验发现未分离试片因对接面上存在大量细小的凹凸纹路彼此机械咬合引起不能分离 ，试片镀膜硬度和表面粗糙度是产生物理嵌合的直接原因 。 从而 ，提出了航天器无相对运动的分离面需选用硬度较大、 粗糙程度较低镀层的防护措施 ，并通过试验进行了验证。关键词分离面 ；物理嵌合 ；机理 ；防护 ；航天器DOI ：畅j畅issn畅X畅畅畅 引言航天器分离面是指航天器与运载火箭或分离型有效载荷的对接面 ，分离前通过一定预紧力压紧 ，一般没有相对运动 。 分离面物理嵌合是指两分离面上由于大量细小的凹凸部位彼此嵌合，发生微观机械咬合导致不能分离的现象 。 通常认为 ，冷焊是导致航天器分离面不能分离的重要因素 ，在航天器设计时 ，通过镀膜使分离面金属材料之间彼此隔离的措施可以有效地防止冷焊发生。 对分离面进行镀膜防止冷焊 ，已成为我国航天器设计部门普遍采用的一项技术。 但在某航天器研制过程中 ，发现两分离面采取镀膜防冷焊措施后仍不能分离的现象 ，经试验研究认为 ，导致该分离面不能分离的原因为物理嵌合 。 物理嵌合现象的发现 ，对航天器分离面镀膜状态的选择提出了新的要求 ：对于没有相对运动的分离面 ，不仅需防止冷焊 ，还需防止物理嵌合 。目前 ，对物理嵌合现象的机理和防护措施没有相关的研究成果 、 设计准则和工程经验可供参考 ，只能参照冷焊机理的研究成果对其开展研究 ，接触时间 、 真空度 、 温度 、 接触面法向压强 、 粗糙度等是影响冷焊的主要因素，试验将分析这些因素对物理嵌合的影响 ，并重点对不同表面状态的铝合金试片试验前后表面元素转移和形貌变化情况进行研究 ，给出了物理嵌合现象的产生机理 ，并提出了防护措施 。 试验采用 mm mm mm 的铝合金镀膜试片两两配合加压 ，在真空罐内静置一段时间后取出 ，在大气条件下分离 ， 研究分离性能 、 元素转移情况和镀膜面形貌变化情况 。 压紧面为 mm mm 的底面 ， 共种镀膜对偶状态 ： 二硫化钼不作表面处理 、二硫化钼光亮阳极氧化 、收稿日期 ： 。 收修改稿日期 ： 年 月 中 国 空 间 科 学 技 术 二硫化钼本色阳极氧化 、 光亮镀金光亮阳极氧化 。 各对试片加压后静置 ，彼此之间没有相对运动 。 试验分别在真空环境和非真空环境下进行 ，真空环境下按先后顺序依次经历常温真空试验 、 高温真空试验 、 低温真空试验 、 高低温交变试验 ，试验条件如表 所示 。表 真空环境试验条件Tab畅 Condition of vacuum experiment序号试验项目真空度Pa温度条件时间h3常温真空试验优于 l a畅 （ ）?3高温真空试验优于 （ ）?3低温真空试验优于 （ ）?3高低温交变试验优于 （ ） （ ）连续循环 次高温（ ） 维持 min低温（ ） 维持 min 共进行两次真空环境试验 ，第一次试验后试片均未顺利分离 ，经深入分析研究后 ，对此现象的机理有了一定的认识并提出了防护措施 ；修改试片镀膜状态后 ，进行了第二次试验 ，两组试片均顺利分离 。 试验过程中 ，对各试片试验前后的表面粗糙度均进行了测量 ，并对试片拍照记录 ，同时拍摄镀膜表面微观光学照片和 D 照片 ，记录了加载压紧力及分离力 ，对试片表面进行了元素能谱分析 ，试验测试数据汇总于表 中 ，其中 、 、 组试片为第一次真空环境试验测试数据 ， 、 组试片为第二次真空环境试验测试数据 。表 真空环境试验测试数据汇总Tab畅 Summarization of experimental data in vacuum阶段组别表面状态试验前表面粗糙度Ram m试验后表面粗糙度Ram m压紧力N分离力N分离情况表面元素元素转移情况第一次222二硫化钼畅畅不做表面处理畅畅二硫化钼畅畅光亮阳极氧化畅畅二硫化钼畅畅本色阳极氧化畅畅 未分离 未分离约 ?未分离无 Al有 Mo无 Al无 Mo无 Al有 Mo发生未发生发生第二次22光亮镀金畅畅光亮阳极氧化畅畅光亮镀金畅畅光亮阳极氧化畅畅 S畅自然分离 S畅自然分离无 Al无 Au无 Al无 Au未发生未发生 在两次真空环境试验中间进行了一次非真空环境试验 ，在大气压条件下采用新试片分别进行常压常温压紧试验和常压变温压紧试验 ，与真空环境试验结果进行对比分析 。为分析真空环境对物理嵌合的影响 ，进行了常压常温压紧试验 ，试片为与 、 、 、 组试片状态相同的新试片 ，试验环境为大气压环境 ，温度条件为（ ） ，压紧时间 天 ，试片表面粗糙度变化情况及分离情况如表 所示 。 中 国 空 间 科 学 技 术 年 月表 常压常温环境试验测试数据汇总Tab畅 Summarization of experimental data of usual temperature in atmosphere组别表面状态试验前表面粗糙度 Ram m试验后表面粗糙度 Ram m压紧力N分离力N分离情况a二硫化钼畅畅不做表面处理畅畅? 未顺利分离a二硫化钼畅畅光亮阳极氧化畅畅? S畅自然分离a二硫化钼畅畅本色阳极氧化畅畅? 未分离a光亮镀金畅畅光亮阳极氧化畅畅? S畅自然分离 为分析温度条件对物理嵌合的影响 ，进行了常压变温压紧试验 ，试片为与 、 组试片状态相同的新试片（ 组试片状态进行两次） ，且每改变一次温度更换一组试片 ，试验环境为大气压环境 ，温度条件分别为 、 、 ，各温度条件下持续时间均为 h ，试片分离情况如表 所示 。表 常压变温环境试验测试数据汇总Tab畅 Summarization of experimental data of different temperature in atmosphere组别表面状态压紧力N温度分离力N分离情况b二硫化钼本色阳极氧化g_ ?畅自然分离_ ?畅自然分离_ 未分离b二硫化钼本色阳极氧化g_ ?畅自然分离_ ?畅自然分离_ G未顺利分离b光亮镀金光亮阳极氧化g_ ?畅自然分离_ ?畅自然分离_ ?畅自然分离 问题描述表 中 ，经过第一次真空试验 ，发现 、 、 组试片均未顺利分离的现象 。 根据第 组试片测试结果 ，即使该组试片从真空罐中取出后对偶面之间为真空状态 ，大气压作用在其表面上的压力为N 左右 ，仍小于其 N 分离力 ，说明两试片之间发生了非大气压引起的粘连现象 。 将各组试片分离后 ，对各试片进行了表面切片取样及元素能谱分析 ，分析结果显示的元素转移情况如表 所示 。 可以看到 ，第 、 组试片表面存在元素转移情况 ，对该试片表面的钼元素进行电子结合能分析后 ，发现其以二硫化钼形式存在 ，未与铝结合 ，没有冷焊发生 。 而且 ，由于试片之间存在二硫化 年 月 中 国 空 间 科 学 技 术 钼涂层 ，试验后二硫化钼涂层仍完全覆盖试片表面 ，没有铝合金表面裸露 ，不会发生冷焊。 初步分析此现象与试片镀膜硬度和粗糙度有关，据此选用光亮镀金光亮阳极氧化镀膜对偶试片先后经历常压常温 、 常压变温 、 第二次真空试验进行对比分析和验证 。表 中 ，经过常压常温试验 ，发现表面粗糙度小的试片（第 、 组）能够自然分离 ，但分离时存在粘滞现象 ，表面粗糙度大的试片（第 、 组）不能顺利分离 ，但分离力远小于经真空试验后的分离力 ，且该试验持续时间更长 。 说明该粘连现象不由真空条件引起 ，但真空环境能够放大此粘连效应 。表 中 ，经过常压变温试验 ，发现第 组试片随温度的升高将发生不能分离的现象 ，而第 组试片各温度条件下均顺利分离 ，说明此现象不由温度条件引起 ，但高温条件能够放大此粘连效应。 同时 ，相对表 、 表 试验结果 ，第 组试片在 下压紧 h 后能够顺利分离 ，说明压紧时间越长越容易发生粘连 。经上述分析 ，认为第一次试验中未分离的试片之间没有冷焊发生 ，但仍不能分离 ，试片之间发生物理嵌合现象 ，提高镀膜硬度并降低表面粗糙程度可以避免此现象发生 ，而真空度 、 温度 、 压紧时间等因素能够放大此现象 ，但不是引起物理嵌合的直接原因 。 物理嵌合机理研究试验对各试片均进行了表面形貌分析 ，限于篇幅 ，不一一列出 ，这里选取两次试验中具有代表性的第 组和第 组试片进行分析 ，第 、 组试片试验前后表面变化情况与第 组试片相似 ，第组试片试验前后表面变化情况与第 组试片相似 。 第 组试片试验前后表面形貌变化情况如图 图 所示 。图 第 组二硫化钼试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the MoScoating surface before and after experiment in group 中 国 空 间 科 学 技 术 年 月图 第 组不做表面处理试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the no coating surface before and after experiment in group 图 第 组试片分离后表面状态（A 、 B 点为压紧时重合点）Fig畅 Interface photograph of the group after experiment（Point A and B is superposed when pressed in pairs） 如图 所示 ，二硫化钼涂层试验前表面平整无纹路 ，经压紧分离后 ，表面出现清晰纹路 。 如图 所示 ，不做表面处理的试片表面形貌试验前后没有明显变化 ，且通过对纹路高度 、 宽度和走向的分析 ，可以看出 ，二硫化钼涂层表面出现的纹路与不做表面处理的试片表面纹路吻合 。 图 为第一组试片试验后的表面状态 ， A 、 B 两点为试片压紧时对偶面上的重合点 ，其中未进行表面处理的试片表面为机械加工纹路 ，该纹路以 A 点为中心 ，向外呈同心圆状辐射 ；涂覆二硫化钼试片表面呈现以 B 点为中心 ，同心圆状辐射纹路 ，两试片对偶面上的纹路完全匹配 。 并且 ，由表 可以看出 ，试验前后二硫化钼表面粗糙度由 畅 m m 变为 畅 m m ，粗糙度明显变大 ；不做表面处理的铝合金表面粗糙度由 畅 m m 变为 畅 m m ，粗糙度基本不变 。 上述现象主要原因为二硫化钼涂层硬度小 ，而铝合金表面硬度大 ，在压力作用下二硫化钼涂层受到铝合金表面挤压发生塑性变形 ，其表面状态与铝合金表面状态趋于一致 ，二硫化钼涂层纹路是被铝合金表面纹路压出的 ，两试片纹路彼此嵌合导致不能分离 。 由于第 组试片分离力较大 ，特别采用表面轮廓仪对其进行表面形貌分析 ，结果如图 、 图 所示 。图 第 组本色阳极氧化试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the colorless oxidation coating surface before and after experiment in group 年 月 中 国 空 间 科 学 技 术 图 第 组二硫化钼试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the MoScoating surface before and after experiment in group 如图 、 图 所示 ，本色阳极氧化镀层表面试验前后均呈现锯齿状纹路 ，且没有发生明显变化 ，通过测量可以得到其纹路波动幅值在 m m 。 二硫化钼涂层表面轮廓试验前为比较平缓的曲线 ，试验后出现与其对偶试片表面相同的锯齿状纹路 ，测量该纹路波动幅值在 m m 之间 ，分离后两试片表面形貌基本相同 。 而且 ，试验前后本色阳极氧化镀层表面粗糙度由 畅 mm 变为畅 m m ，粗糙度基本不变 ；而二硫化钼涂层表面粗糙度由 畅 mm 变为 畅 mm ，变化很大 ，且其粗糙度与本色阳极氧化镀层表面粗糙度趋于一致 。 因此 ，导致第 组试片分离力较大的原因是本色阳极氧化镀层表面粗糙度大 ，使其对偶面二硫化钼涂层表面粗糙度发生明显改变 ，被压出较深纹路 ，彼此嵌合作用明显 。经上文分析认为 ，第 次试验试片不能分离的主要原因是二硫化钼涂层硬度小 ，其对偶试片表面镀层硬度大 、 粗糙程度高 ，导致二硫化钼涂层被压出与其对偶试片表面凹凸程度相匹配的纹路 ，两试片表面纹路彼此嵌合发生物理嵌合现象 。 物理嵌合防护方案通过上文研究可知 ，为避免分离面发生物理嵌合 ，可以采取提高表面镀层硬度 、 降低表面粗糙程度的方法 。 因此 ，选用 “光亮镀金光亮阳极氧化” 对偶状态作为试片表面镀层状态进行第 次分离试验 ，验证物理嵌合机理研究的正确性和防护措施的可行性 。 第 组试片试验前后表面形貌变化情况如图 图 所示 。图 第 组光亮镀金试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the bright gold coating surface before and after experiment in group 中 国 空 间 科 学 技 术 年 月图 第 组光亮阳极氧化试片试验前后表面微观形貌对比Fig畅 Microcosmic shape of the white anodic coating surface before and after experiment in group 图 第 组试片分离后表面状态 Fig畅 Interface photograph ofgroup after experiment如图 图 所示 ，光亮镀金和光亮阳极氧化镀层试验前表面平整无纹路 ， 经压紧分离后 ， 表面无明显变化 。同时 ，试验前后光亮镀金层表面粗糙度由 畅 mm 变为畅 m m ，粗糙度略有减小 ；光亮阳极氧化层表面粗糙度由畅 m m 变为 畅 m m ，粗糙度变化更小 。 主要原因为镀金镀层硬度比光亮阳极氧化镀层硬度小 ，因此其表面粗糙度变化相对较大 ，并且在压力作用下两试片镀层发生塑性变形 ，表面粗糙度变化趋于一致 ，与第 次试验分析结果相吻合 。 而且 ，由于两试片镀层硬度均比二硫化钼涂层硬度大 ，且表面粗糙度均较小 ，因此在压力作用下未被压出纹路 ，没有物理嵌合现象发生 ，试片顺利分离 。 物理嵌合机理研究结论得到验证 。另外 ，根据试片表面元素转移分析结果 ，发现硬度较小的镀层与硬度较大的镀层（二硫化钼不做表面处理 、 光亮阳极氧化 、 本色阳极氧化）对偶试验后 ，若试片表面粗糙度较大 ，则容易发生元素转移 ，物理嵌合现象明显 ，如第 、 组试片 ；若试片表面粗糙度较小 ，则不易发生元素转移 ，物理嵌合现象微弱 ，如第 组试片 。 而硬度较大的镀层（光亮镀金光亮阳极氧化）对偶试验后 ，表面没有元素转移 ，没有物理嵌合现象发生 ，如第 、 组试片 。综上所述 ，物理嵌合效应发生的直接原因与分离面表面镀层的硬度和粗糙度有关 ，影响该效应的主要因素为压紧力 、 压紧时间 、 温度和真空环境等 ，具体为 ：） 分离面表面硬度越小 ，越容易被压出纹路 ，物理嵌合越容易发生 ；表面硬度越大 ，表面形貌越不容易发生改变 ，不易发生物理嵌合 。） 分离面表面粗糙度越大 ，越容易发生物理嵌合 ，减小分离面表面粗糙度可以有效防止物理嵌合发生 。） 分离面之间有镀层隔离 ，不会发生冷焊 ；但如果选用硬度小 、 表面粗糙度大的镀层彼此配合 ，则容易引起表面元素转移 ，发生物理嵌合 ，导致不能分离 。） 分离面之间压紧力越大 ，压紧时间越长 ，表面形貌变化越大 ，物理嵌合效应越明显 。） 温度越高 ，物理嵌合效应越明显 ，但航天器温度一般不会高于 ，因此温度因素一般 年 月 中 国 空 间 科 学 技 术 不会影响航天器分离面物理嵌合效应 。） 在大气环境下 ，物理嵌合效应不明显 ，但在真空环境下物理嵌合效应将得到放大 ，航天器压紧分离面设计需采取物理嵌合防护措施 。二硫化钼涂层主要应用于滑动接触面之间 ，而在压紧力较大的非滑动对接面之间则少有应用 。为避免物理嵌合的发生 ，根据本试验研究成果 ，对于具有较大压紧力的航天器分离面 ，可以选用光亮镀金光亮阳极氧化对偶镀层 ，并保证对接面粗糙程度较低 ，一般小于 畅 m m 。 结束语物理嵌合现象的发现 ，对航天器分离面设计提出了新的要求 ，对于压紧后没有相对运动的分离面 ，在防止冷焊的同时还需防止物理嵌合的发生 。 本文通过试验对物理嵌合现象的产生机理 、 影响因素进行了研究 ，发现硬度低的镀层与硬度高 、 表面粗糙程度高的镀层配合是引起物理嵌合的直接原因 ；高压力 、 高真空度 、 高温 、 长压紧时间会放大物理嵌合效应 。 据此 ，提出了物理嵌合的防护方案 ：两个配合的分离面选用硬度较大且硬度相当的镀膜涂层 ，并降低表面粗糙程度 ，可以有效地防止物理嵌合现象发生 。 此研究成果对航天器分离面镀膜状态的选取具有较重要的参考意义 。参 考 文 献 GONG JIE ， TANG ZIRONG ，SHI TIELIN ， et al Improved adhesion between CMEMS and substrateby micromechanical interlocking C 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Technology ，Shanghai ）Abstract It is found thatcoatedspacecraftinterfacesseparateunsuccessfullydespitewithout cold weldingduringthe spacecraftmanufacturing To investigatethe mechanism ，effective factors and protection schem