CN106498358B - 一种航天器用金属件表面的热控处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型航天器用金属件表面的热控处理方法。结合航天器用金属件表面的热控、防冷焊、机械强度等一体化的特殊要求，将离子注入与沉积技术应用于航天器用金属件表面的热控处理中，获得了离子注入与沉积技术应用于航天器用金属件表面热控处理的工艺方法及参数。该方法制备出的涂层光滑、致密，不仅能够同时满足热控、防冷焊及机械强度等性能要求，而且处理工艺简单，自动化程度高，工艺可控性好，重复性高，又因为没有废液所以健康、环保。

Description

一种航天器用金属件表面的热控处理方法
技术领域
本发明涉及一种航天器用金属件表面的热控处理方法。该方法制备出的涂层光滑、致密，不仅能够同时满足热控、防冷焊及机械强度等性能要求，而且处理工艺简单，自动化程度高，工艺可控性好，重复性高，又因为没有废液所以健康、环保。
背景技术
卫星及其他航天器在空间环境中须承受冷热交变、空间辐照等恶劣空间环境的考验而长寿命、高可靠地在轨运行，因此对表面往往有较高要求，主要涉及热控、防冷焊及机械强度等性能。
目前航天器金属部件（主要为铝合金材料）的表面处理较多采用化学镀或喷漆等工艺方法。这些工艺不仅流程复杂、工艺周期长、质量可控性差、有害操作人员健康，而且化学表面处理产生的废液会带来环境污染，造成企业环保成本的上升。关键是，通过化学方法形成的材料表面膜层往往机械性能差、膜层材料单一、膜层与基体的结合强度弱，从而很难满足既有表面热控要求，又有表面特定机械性能要求的航天器金属部件（如星箭连接环、空间对接机构、运动机构等）的表面处理技术要求。
离子注入与沉积技术是在真空环境下通过气体或金属等离子体发生器产生高密度等离子体，并在待处理金属零件上施加一个负高压脉冲，从而在等离子体源与零件之间产生强电场，等离子体在强电场作用下加速冲击零件表面，根据离子能量的大小实现材料表面的离子注入或薄膜沉积。通过采用单一离子或多种离子复合可实现金属、金属基化合物、陶瓷、梯度结构膜等功能膜层的涂镀，并能实现涂层的精度和性能可控、工艺参数可调。但是，国内外尚无采用离子注入与沉积技术进行材料表面定向热控功能改性的相关研究报道。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有表面处理技术所制备出的热控涂层无法满足新一代高精度、长寿命航天器的热控指标要求并且质量可控性差、返修率高等一系列问题，从而提供的一种基于高功率脉冲磁控溅射离子注入与沉积制备航天器金属件表面热控涂层的方法。
本发明所采取的技术方案为：采用基于高功率脉冲磁控溅射的离子注入与沉积设备，通过O2的引入与孪生Al靶的溅射在金属件近表面形成一层Al离子注入层和表面形成一层Al2O3沉积层，从而能够同时满足航天器用金属件表面关于热控，主要是低吸收比、高发射率，防冷焊及结合力方面的要求。所使用的高功率脉冲磁控溅射离子注入与沉积设备包括真空抽气系统、进气系统、溅射清洗系统、高功率脉冲溅射、偏压电源系统、高压电源系统以及辅助系统组成。真空抽气系统主要用于获得所需要的工作真空，进气系统主要用于在真空室内获得所需要的混合气体，溅射清洗系统主要用于零件表面进行射频溅射清洗，偏压电源系统主要用于薄膜沉积时给工件提供脉冲负偏压，以吸引离子。高压电源系统主要用于实现工件表面离子的注入，以达到提高薄膜厚度等功能。
具体实现步骤如下：一种航天器用金属件表面的热控处理方法，包含以下步骤：
步骤1）样件准备：将待处理金属件打磨抛光后，置于真空室内的样品台上，将样品台的高度调节至孪生靶垂直线相交的位置，金属件接高压脉冲电源的高压脉冲输出端；
步骤2）抽真空：首先打开机械泵和旁抽阀，当真空度抽至9-11Pa，打开闸板阀及分子泵，关闭旁抽阀，提高抽气速率进入高真空；真空度达到3×10-3Pa以下时，开始通入高纯度的Ar2和O2；
步骤3）溅射清洗：首先打开射频电源，控制功率在150～400W，以在真空室内形成射频气体等离子体，同时打开偏压电源，以实现零件表面的离子溅射清洗，去除表面的残余氧化物等杂质；
步骤4）离子注入：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与高压脉冲电源，将离子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金属件的近表面形成一层Al离子注入层，从而增强表面层的结合力；
步骤5）薄膜沉积：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与偏压电源，在样件表面进行Al2O3薄膜沉积。
进一步，所述步骤2）中的Ar2流量控制在20～80sccm，O2流量控制在5～50sccm之间。
进一步，所述步骤3）中偏压电源的偏压频率为50～150 HZ，偏压脉宽为5～40μs，偏压幅值为4～10 kV，时间为90～200 min。
进一步，所述步骤4）中调节高功率溅射频率为100～300 Hz，高功率溅射脉宽为5～40 μs，高功率溅射延时为0～10μs，高功率溅射功率为400～800W；调节高压脉冲为40～100 μs，高压延时为5～50 μs，高压幅值为10～50 kV，时间为300～500 min。
进一步，所述步骤5）中调节高功率溅射频率为1500～3000 Hz，高功率溅射脉宽为10～60 μs，高功率溅射延时为80～120μs，高功率溅射功率为300～600W；调节偏压脉冲为20～70 μs，偏压延时为5～30 μs，高压幅值为80～150 V，时间为1000～1600 min。
本发明采用基于高功率脉冲磁控溅射的离子注入与沉积方法进行航天器用金属件表面的热控处理，制备出的涂层能够同时满足热控、防冷焊及机械强度等性能要求，并且本发明与现有技术相比，具备有益效果如下：
（1）制备的热控涂层表面太阳吸收比≤0.2，半球发射率≥0.6，表面摩擦系数<0.2，膜基结合力>60N，能够同时满足热控、防冷焊及机械强度等性能要求；
（2）处理工艺简单，不需要传统化学处理的酸洗、碱洗等复杂预处理，相比于传统处理时间减半，效率提高；
（3）采用本发明进行热控处理不仅高效，而且健康、环保，工艺可控性好，重复性高。
具体实施方法
一种航天器用金属件表面的热控处理方法，包含以下步骤：
（1）样件准备：将待处理金属件打磨抛光后，置于真空室内的样品台上，将样品台的高度调节至孪生靶垂直线相交的位置，金属件接高压脉冲电源的高压脉冲输出端；
（2）抽真空：首先打开机械泵和旁抽阀，当真空度抽至10Pa左右，打开闸板阀及分子泵，关闭旁抽阀，提高抽气速率进入高真空。真空度达到3×10-3Pa以下时，开始通入高纯度的Ar2和O2，Ar2流量固定在20～80sccm，O2流量控制在5～50sccm之间；
（3）溅射清洗：首先打开射频电源，控制功率在150～400W，以在真空室内形成射频气体等离子体，同时打开偏压电源，调节偏压频率为50～150 HZ，偏压脉宽为5～40μs，偏压幅值为4～10 kV，时间为90～200 min，实现零件表面的离子溅射清洗，去除表面的残余氧化物等杂质，；
（4）离子注入：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与高压脉冲电源，调节高功率溅射频率为100～300 Hz，高功率溅射脉宽为5～40 μs，高功率溅射延时为0～10μs，高功率溅射功率为400～800W，调节高压脉冲为40～100 μs，高压延时为5～50 μs，高压幅值为10～50 kV，时间为300～500 min，将离子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金属件的近表面形成一层Al离子注入层，从而增强表面层的结合力。
（5）薄膜沉积：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与偏压电源，调节高功率溅射频率为1500～3000 Hz，高功率溅射脉宽为10～60 μs，高功率溅射延时为80～120μs，高功率溅射功率为300～600W，调节偏压脉冲为20～70 μs，偏压延时为5～30 μs，高压幅值为80～150 V，时间为1000～1600 min。
具体实施方式一：
（1）样件准备：将航天器用某铝合金金属件打磨抛光后，置于真空室内的样品台上，将样品台的高度调节至孪生靶垂直线相交的位置，金属件接高压脉冲电源的高压脉冲输出端；
（2）抽真空：首先打开机械泵和旁抽阀，当真空度抽至10Pa，打开闸板阀及分子泵，关闭旁抽阀，提高抽气速率进入高真空。真空度达到2×10-3Pa时，开始通入高纯度的Ar2和O2，Ar2流量固定在50sccm，O2流量控制在11sccm；
（3）溅射清洗：首先打开射频电源，控制功率在300±50 W，以在真空室内形成射频气体等离子体，同时打开偏压电源，调节偏压频率为100±5 HZ，偏压脉宽为20±5 μs，偏压幅值为5±1 kV，实现零件表面的离子溅射清洗，去除表面的残余氧化物等杂质，时间为120±5 min；
（4）离子注入：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与高压脉冲电源，调节高功率溅射频率为200±1 Hz，高功率溅射脉宽为20±5 μs，高功率溅射延时为5±2 μs，高功率溅射功率为520±5W，调节高压脉冲为50±5 μs，高压延时为20±5 μs，高压幅值为15±1 kV，将离子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金属件的近表面形成一层Al离子注入层，从而增强表面层的结合力，时间为360±5 min；
（5）薄膜沉积：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与偏压电源，调节高功率溅射频率为2000±5 Hz，高功率溅射脉宽为40±5 μs，高功率溅射延时为100±5μs，高功率溅射功率为400±50W，调节偏压脉冲为40±5 μs，偏压延时为10±5 μs，高压幅值为100±10 V，时间为1440±10 min。
实施效果：制备的膜层外观光滑、致密。热控性能测试包括太阳吸收比和半球发射率的测量。采用LAMBODA 950 紫外/可见光/近红外分光仪测得制备膜层的太阳吸收比为0.19，采用TEMP 2000A 辐射率仪测得制备膜层对太阳光谱中波长在250 nm-2500 nm吸收比为0.63,满足热控指标要求，采用划痕法测得结合力大于60N，满足强度要求，摩擦系数低于0.2，满足防冷焊要求。

Claims (3)

1.一种航天器用金属件表面的热控处理方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1）样件准备：将待处理金属件打磨抛光后，置于真空室内的样品台上，将样品台的高度调节至孪生靶垂直线相交的位置，金属件接高压脉冲电源的高压脉冲输出端；
步骤2）抽真空：首先打开机械泵和旁抽阀，当真空度抽至9-11Pa，打开闸板阀及分子泵，关闭旁抽阀，提高抽气速率进入高真空；真空度达到3×10-3 Pa以下时，开始通入高纯度的Ar和O2；
步骤3）溅射清洗：首先打开射频电源，控制功率在150～400W，以在真空室内形成射频气体等离子体，同时打开偏压电源，以实现零件表面的离子溅射清洗，去除表面的残余氧化物等杂质；
步骤4）离子注入：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与高压脉冲电源，将离子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金属件的近表面形成一层Al离子注入层，从而增强表面层的结合力；
步骤5）薄膜沉积：同时打开高功率脉冲磁控溅射电源与偏压电源，在样件表面进行Al2O3薄膜沉积；
所述步骤4）中调节高功率溅射频率为100～300 Hz，高功率溅射脉宽为5～40 μs，高功率溅射延时为0～10μs，高功率溅射功率为400～800W；调节高压脉冲为40～100 μs，高压延时为5～50 μs，高压幅值为10～50 kV，时间为300～500 min；
所述步骤5）中调节高功率溅射频率为1500～3000 Hz，高功率溅射脉宽为10～60 μs，高功率溅射延时为80～120μs，高功率溅射功率为300～600W；调节偏压脉冲为20～70 μs，偏压延时为5～30 μs，偏压幅值为80～150 V，时间为1000～1600 min。
2.根据权利要求1所述的一种航天器用金属件表面的热控处理方法，其特征在于，所述步骤2）中的Ar流量控制在20～80sccm，O2流量控制在5～50sccm之间。
3.根据权利要求1所述的一种航天器用金属件表面的热控处理方法，其特征在于，所述步骤3）中偏压电源的偏压频率为50～150 Hz ，偏压脉宽为5～40μs，偏压幅值为4～10 kV，时间为90～200 min。
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