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，標志著我國首次地外天體采樣返回任務圓滿完成，我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究相關工作也隨之啟動。
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，其中包括地面存放環(huán)境中的大氣腐蝕、近地軌道附近原子氧的侵蝕、宇宙射線對涂層材料的破壞，以及太空中交變溫度的影響等。
（韓恩厚）
中國科學院沈陽分院院長、廣東腐蝕科學與技術創(chuàng)新研究院院長韓恩厚是是腐蝕防護領域的頂級科學家，他帶領團隊攻克了傳統鎂合金防護涂層無法同時滿足防腐和導電的難題，研制出鎂合金表面防腐導電功能一體化涂層，應用于2010年“嫦娥三號”。
十年來，韓恩厚團隊不斷致力于技術的改進，應用在“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)射任務的長征五號運載火箭上的鎂質慣組支架的腐蝕防控核心技術，均由該團隊研制而成，滿足航天裝備地面環(huán)境及空間環(huán)境的復雜綜合要求。
10年前與嫦娥結緣
減重對航天器至關重要，甚至以克計算。為了實現減重，在航天器上大量使用輕合金，鎂合金成為減重常用材料，但它本身極易被腐蝕，這一直是影響其規(guī)模應用的關鍵技術瓶頸。
“在讀碩士時，我就和腐蝕防控結下了不解之緣，如今在這個領域已經有30多年積淀。”韓恩厚告訴記者，自己的科研生涯基本都與腐蝕科學與工程相關，也希望能夠通過腐蝕防控技術服務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，當時韓恩厚的學生宋影偉在博士期間已經針對AZ91鎂合金化學鍍及納米化學復合鍍進行了歷時3年的研究。
在韓恩厚的指導及宋影偉的摸索下，他們最終在小面積實驗試片上制備出均勻、致密且與鎂基體結合緊密的導電鍍層。該鍍層在耐磨性及耐蝕性方面遠超傳統Ni-P鍍層。
但當時的工藝仍處于實驗室階段，處理的樣品尺寸較小，形狀構造簡單，且受限于航天鎂合金的應用起步較晚，尚未有對大尺寸，復雜結構鎂合金產品的生產經驗。隨后韓恩厚與中國科學院金屬研究所單大勇研究員與航天企業(yè)開展項目合作，正式開啟了該技術的航天應用之旅。
突破金屬鍍層的大難題
在“神舟五號”發(fā)射測試階段，韓恩厚與單大勇就發(fā)現鎂合金在航天應用中存在的問題。
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。如果采用化學轉化膜或微弧氧化這些常用的防腐技術對鎂合金進行表面處理，由于這類膜層是絕緣的，無法滿足導電性的要求。如何實現鎂合金表面導電，且具備優(yōu)異的電磁屏蔽效果是一大問題。
采用導電的金屬鍍層是解決這一問題的有效措施，但實際應用中還需要綜合考慮工程材料復雜的結構，鍍層的結合力，以及金屬鍍層防腐存在的電偶腐蝕風險。
（韓恩厚科研團隊）
韓恩厚帶領團隊攻堅克難，通過不斷的實踐嘗試和生產工藝優(yōu)化找到了解決方法，決定采用化學鍍鎳的表面處理技術。通過恰當的預處理方法使得鍍層在鎂合金基體上起到“釘扎”效應，解決了鍍層結合力差的難題。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合力、耐蝕、導電性的金屬鍍層。
從試驗室的制備工藝向實際生產的轉變過程中，還面臨許多意想不到的困難。生產過程中，鎂基體面積增大會加快成膜反應速率，不僅對鍍層結合性能造成影響，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)現需要對鍍液的特性進行系統研究。通過建立鍍液使用控制規(guī)范，不但提高了鍍液的利用率，且能保持鍍層質量的穩(wěn)定性，最終實現了滿足任務需求的導電性鍍層，且能提供更優(yōu)異的電磁屏蔽效果，已在嫦娥系列數百個鎂合金部件上實現應用。
除了導電鍍層外，韓恩厚團隊針對耐蝕性要求更高的領域，發(fā)展了鎂合金自封孔型微弧氧化技術，耐蝕性比傳統技術提高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的安全可靠性和先進性。
克服嫦娥五號帶來的新挑戰(zhàn)
因為在航天材料耐腐蝕領域的創(chuàng)新，韓恩厚獲得了“探月工程嫦娥四號任務突出貢獻者”稱號。
科研路上不斷有挑戰(zhàn)，“嫦娥五號”的任務面臨更多難題，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，但是基于發(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，迎來了新問題。
（嫦娥五號發(fā)射升空）
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，這種苛刻的環(huán)境將加速材料的腐蝕失效進程。
廣州日報全媒體記者了解到，所有文昌發(fā)射的航天部件需要經歷長達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、預處理狀態(tài)、化學鍍工藝步驟及后處理參數等工序進行大量系統的嘗試及優(yōu)化，并對凹槽、孔隙等特殊位置的細節(jié)處理進行針對性改進，最終研制出了滿足新環(huán)境的鎂合金防腐導電性鍍層。
從“嫦娥三號”到“嫦娥五號”的十年時間，韓恩厚團隊一層薄薄的涂層上面嘔心瀝血，在探月工程中始終發(fā)揮著重要作用。韓恩厚仍在帶領團隊不斷的探索，今年3月，由他擔任院長的廣東腐蝕科學與技術創(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、腐蝕防腐涂料與涂層、緩蝕劑、陰極保護、監(jiān)檢測技術、結構安全評價與壽命預測七大技術為主研發(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，現階段的鎂合金導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用領域，鎂合金表面防護工作任重而道遠。”他表示。
文、圖：廣州日報全媒體記者 龍錕
廣州日報全媒體編輯 林傳凌
