隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航空航天領(lǐng)域的發(fā)展步伐也不斷加大。飛行器及其動(dòng)力裝置、附件、儀表所用的各類材料，是航空航天工程技術(shù)發(fā)展的決定性因素之一。是保障航空航天飛行安全與人們生命財(cái)產(chǎn)不受損害的先決條件。然而腐蝕是自然界中常見的一種自然現(xiàn)象，對航空航天材料的安全使用構(gòu)成一定的影響，所以解決好航空航天材料的腐蝕問題并研究其防治對策，是航空航天行業(yè)非常重要的研究課題。為了全面的科普航天領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r、腐蝕狀況及控制關(guān)鍵，記者特邀請到航天科技八院 149 廠熱表工程工藝研究室主任鞠鵬飛高級工程師做相關(guān)方面的精彩解讀。

鞠鵬飛高級工程師

    記者：從您的履歷上看，您年紀(jì)輕輕就是高級工程師，承擔(dān)了多項(xiàng)國家重要研發(fā)項(xiàng)目，請您談?wù)勀@一路的歷程并發(fā)表一下您的感想？

    鞠高工：2013 北京化工大學(xué)畢業(yè)后，我進(jìn)入航天科技八院 149 廠工作，航天八院是中國航天科技集團(tuán)三大總體院之一，是唯一一家涉及運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、神州飛船、空間站、空間飛行器以及武器裝備的總體院。而我所在的單位149 廠是八院的總裝單位，也是八院熱表處理技術(shù)中心掛靠單位，熱表中心承擔(dān)了航天八院絕大部分型號零部件的熱處理、表面處理工藝研發(fā)與生產(chǎn)。

    宇航型號以及武器裝備表面處理工藝主要涉及到：腐蝕與防護(hù)、固體潤滑、熱控涂層以及光學(xué)薄膜四大方面。這四個(gè)方面跨度還是比較大，涉及到材料、腐蝕、摩擦磨損、光學(xué)等不同的專業(yè)方向，涵蓋電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氧化、陽極氧化、微弧氧化、離子鍍、磁控濺射、離子注入、熱噴涂、涂料與涂裝等工藝技術(shù)。我工作后花了大量時(shí)間與精力去研究不同型號對材料表面防護(hù)的要求，上述技術(shù)的國內(nèi)外研究及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀以及零件表面處理生產(chǎn)過程的細(xì)節(jié)管控。在不到一年的時(shí)間里，開發(fā)了鎂合金熱控微弧氧化技術(shù)、鈦合金消光陽極化技術(shù)、大型鎂及鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件導(dǎo)電防護(hù)技術(shù)等 6 項(xiàng)技術(shù)，并應(yīng)用至型號生產(chǎn)，為企業(yè)每年節(jié)約了大量的外協(xié)費(fèi)用。

    2014 年，我擔(dān)任熱表工程工藝研究室主任，企業(yè)表面工程技術(shù)帶頭人，具體負(fù)責(zé)航天八院表面工程領(lǐng)域課題工作、解決型號研制過程中的表面工程難題、引進(jìn)或開發(fā)新的表面處理工藝并實(shí)現(xiàn)型號應(yīng)用、制定航天八院表面工程技術(shù)發(fā)展規(guī)劃等。

    課題研究與技術(shù)成果應(yīng)用是兩種不同的思路，課題研究需要走在型號研制前面，根據(jù)型號發(fā)展方向，剖析其中對材料表面防護(hù)的新要求，然后跟蹤國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，通過技術(shù)創(chuàng)新，針對某個(gè)科學(xué)問題進(jìn)行深入研究，闡述材料本質(zhì)與其性能關(guān)系，或者是針對某項(xiàng)技術(shù)瓶頸，開發(fā)出能夠滿足性能需求的技術(shù)。而技術(shù)成果轉(zhuǎn)移應(yīng)用，則需要大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)與測試驗(yàn)證，從試片到典型零件，再到批量化零件試生產(chǎn)，最后參加整機(jī)實(shí)驗(yàn)。一方面是驗(yàn)證技術(shù)的適用性與可操作性，另一方面通過大量的試生產(chǎn)，暴露出技術(shù)本身存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，出現(xiàn)一例不合格試樣都必須分析原因，問題復(fù)現(xiàn)，然后找到解決措施。如果忽略試生產(chǎn)過程中的某一個(gè)問題，那必將在型號產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中暴露出來，進(jìn)而輕則耽誤型號研制進(jìn)度，重則造成型號發(fā)射任務(wù)失敗。此外，技術(shù)成果轉(zhuǎn)移應(yīng)用需要從前處理開始每一個(gè)步驟都量化控制，技術(shù)參數(shù)一旦固化，則不能輕易變更。

    總得來說，航天型號表面工程技術(shù)研究是技術(shù)創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化以及工藝基礎(chǔ)并行的工作，要做到跟蹤技術(shù)動(dòng)態(tài)、做深技術(shù)研究、做實(shí)技術(shù)數(shù)據(jù)。

    記者：您的主研方向是宇航以及戰(zhàn)術(shù)武器型號金屬材料表面工程技術(shù)研究，請分享一下您科研工作的這些年中印象深刻的典型案例？

    鞠高工：中國航天科技集團(tuán)公司的作風(fēng)是“嚴(yán)、慎、細(xì)、實(shí)”。這四個(gè)字充分凝練了航天型號產(chǎn)品研制的特點(diǎn)和要求。 2015 年，我參與八院研制某系列衛(wèi)星型號的核心部件，由于時(shí)間非常緊迫，我們需要在短期內(nèi)完成技術(shù)調(diào)研、開發(fā)、測試、試生產(chǎn)、型號環(huán)境實(shí)驗(yàn)、技術(shù)鑒定、型號生產(chǎn)等一系列的工作。

    當(dāng)時(shí)我們整個(gè)研發(fā)隊(duì)伍的工作計(jì)劃是以天計(jì)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃都經(jīng)過了充分的文獻(xiàn)調(diào)研與論證，在短期的時(shí)間內(nèi)完成了有效的實(shí)驗(yàn)與測試，針對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)也同樣通過已有的文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析，再設(shè)計(jì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，基本上完全做到了有章可依、有理可據(jù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)的每一次交流討論，都會(huì)形成待辦事項(xiàng)，在后續(xù)工作中逐條落實(shí)，為了保證研發(fā)進(jìn)度，保障型號順利交付，團(tuán)隊(duì)基本上都犧牲了周末、節(jié)假日，甚至連通宵測試都成為了常態(tài)。當(dāng)時(shí)的型號總師對我們的產(chǎn)品也提出了很多質(zhì)疑，認(rèn)為我們在短期內(nèi)突破大量的關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品樣本量不夠，數(shù)據(jù)不夠充分詳實(shí)，可靠性很難保證。針對型號總師的疑問，我們用理論支持、數(shù)據(jù)說話，都一一進(jìn)行了回答。在半年之內(nèi)我們完成了接近一千個(gè)試片測試，上百個(gè)產(chǎn)品試生產(chǎn)，最終，我們順利完成了產(chǎn)品的研制，并且順利交付。

    宇航產(chǎn)品由于其唯一性、不可維護(hù)性，對其質(zhì)量可靠性要求非常高。產(chǎn)品不能出現(xiàn)任何一絲的缺陷，因此每一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、每一臺(tái)產(chǎn)品都需要通過大量的驗(yàn)證測試來確保其質(zhì)量可靠性。

    記者：目前航天領(lǐng)域材料的腐蝕狀況及控制現(xiàn)狀如何？您認(rèn)為航天領(lǐng)域的材料腐蝕控制的關(guān)鍵是什么？

    鞠高工：航天領(lǐng)域的腐蝕控制現(xiàn)狀需要從三個(gè)方面來談：

    首先是宇航型號，包括運(yùn)載火箭、載人飛船、衛(wèi)星、空間站以及空間飛行器等。宇航型號大量使用了鋁合金跟鎂合金，大多采用陽極氧化、化學(xué)氧化、化學(xué)鍍鎳幾種工藝實(shí)現(xiàn)防腐。一般認(rèn)為，宇航產(chǎn)品對腐蝕控制不是十分嚴(yán)格，周期比較短，只要能滿足從研制到發(fā)射過程中不腐蝕就可以。其實(shí)不然，宇航產(chǎn)品任務(wù)成敗的關(guān)鍵控制因素之一是“多余物”，細(xì)小的多余物都可能造成整個(gè)宇航型號報(bào)廢。比如：運(yùn)載火箭的導(dǎo)管清洗，需要保證長數(shù)米、直徑幾毫米的導(dǎo)管內(nèi)沒有一絲腐蝕斑，一旦導(dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物都可能造成運(yùn)載火箭發(fā)射失敗；再比如，衛(wèi)星型號電子單機(jī)用的鎂合金材料防腐處理一般是化學(xué)鍍鎳，需要保證其經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后，耐蝕等級達(dá)到十級，一個(gè)腐蝕斑點(diǎn)都會(huì)造成整個(gè)單機(jī)報(bào)廢， 從而影響整顆衛(wèi)星的功能。 而且，宇航型號的防腐一般都不會(huì)使用有機(jī)涂層，有機(jī)涂層在太空中存在真空放氣、老化脫落等一系列的問題。針對目前的宇航型號的腐蝕控制，大多采用嚴(yán)格的地面環(huán)境實(shí)驗(yàn)以確保整機(jī)產(chǎn)品不會(huì)發(fā)生腐蝕。但是，隨著后續(xù)文昌發(fā)射場的投入使用，宇航型號需要通過海運(yùn)到達(dá)基地，然后在基地經(jīng)歷一段時(shí)間的總裝總測，文昌基地的大氣環(huán)境將對后續(xù)宇航型號的腐蝕控制技術(shù)提出更高的要求。

    再就是武器裝備，航天八院的武器型號需要在嚴(yán)寒、沙漠、海洋等不同的環(huán)境下服役。武器型號的腐蝕控制涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、表面涂覆等方面。

    材料表面涂層主要包括：金屬鍍層、陽極氧化以及涂料與涂裝，其中涂裝是武器型號最重要的防護(hù)手段。隨著我國海洋戰(zhàn)略工程的推進(jìn)與實(shí)施，對于武器裝備的服役壽命也提出了更高的要求。目前評價(jià)材料耐蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)不能兼顧多因素的影響，歐洲的 501 標(biāo)準(zhǔn)雖然包括了鹽霧、濕熱、紫外、冷凝等因素，但是也無法適用于高寒、高濕熱、高鹽霧等不同極端環(huán)境。因此，根據(jù)不同服役環(huán)境設(shè)計(jì)出有針對性的環(huán)境加速譜是保障武器型號腐蝕控制的必要手段。此外，目前國內(nèi)研發(fā)的新型的防護(hù)涂層種類很多，在兼顧性能、質(zhì)量可靠性、過程管理以及成本的基礎(chǔ)上，如何通過技術(shù)適應(yīng)性研究，形成新的材料防護(hù)體系，也是武器裝備控制腐蝕的關(guān)鍵。

    最后，航天型號還有一類特殊的材料失效形式--來自空間環(huán)境的 “腐蝕” 。

    衛(wèi)星、空間站等型號在空間環(huán)境服役時(shí)，其外露熱控涂層以及太陽翼電池片需要經(jīng)受大量的空間粒子轟擊，從而造成性能下降，其中原子氧與紫外對材料的損傷最大。目前航天型號的外露表面涂層都需要通過 GJB2502 的空間環(huán)境實(shí)驗(yàn)，確保其在輻照劑量內(nèi)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)需求，方可在型號上使用。

    不管是哪一類型號產(chǎn)品，其腐蝕控制的關(guān)鍵在于驗(yàn)證方法以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

    通過可靠的驗(yàn)證方法測試目前各種防護(hù)涂層的耐蝕性能，形成材料、表面防護(hù)層、服役環(huán)境的數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫去指導(dǎo)型號設(shè)計(jì)，才能有效控制航天材料的腐蝕問題。

    記者：請您談?wù)勀芯康念I(lǐng)域未來的發(fā)展方向？

    鞠高工：表面工程技術(shù)是航天制造技術(shù)中的核心技術(shù)之一，最近兩年我負(fù)責(zé)了航天八院、國防科工委等多個(gè)渠道的十三五發(fā)展規(guī)劃中表面工程領(lǐng)域的編制或者合稿。隨著航天型號產(chǎn)品的發(fā)展，對航天材料表面防護(hù)提出了更高、更嚴(yán)苛的需求。而由于航天型號功能的特殊性，往往要求材料在滿足耐蝕的同時(shí)，具備導(dǎo)電、耐磨、透波、熱控、防熱等不同的功能。

    空間站、火星探測等重大型號的研制需要材料能夠經(jīng)受復(fù)雜空間環(huán)境的“腐蝕”。柔性太陽翼基板非常容易因原子氧的侵蝕造成整塊太陽翼電池帆板失效，而空間站、衛(wèi)星等宇航型號需要長期在軌可靠服役，這就需要既不影響發(fā)電效率，又能夠 100% 抵抗住原子氧長期侵蝕的防護(hù)性膜層。宇航型號的對日定向系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在需要經(jīng)受上萬轉(zhuǎn)的高溫電氣磨損，火星探測、月面巡視器等型號需要在極端氣溫、星際塵暴等惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行。由于宇航產(chǎn)品的不可維護(hù)性，這就需要航天材料的熱控、潤滑等表面防護(hù)涂層做到 100% 可靠。此外，輕量化是宇航型號的要求也是趨勢之一，鋁合金作為輕質(zhì)合金材料已經(jīng)很慢滿足宇航型號的減重需求，鎂鋁合金、耐熱鎂合金、鎂鋰合金以及復(fù)合材料已經(jīng)開始應(yīng)用在宇航型號上，針對上述新材料的防護(hù)技術(shù)也是十三五期間發(fā)展的重點(diǎn)之一。

    武器裝備的表面工程主要集中在防腐、耐熱、隱身以及再制造方面。隨著海洋工程的推進(jìn)，武器型號在南海等惡劣海洋氣候環(huán)境下可靠服役的需求也日益迫切， 鋅鎳合金、 氟碳涂層、 非晶涂層、CrN 等涂鍍層將越來越多地應(yīng)用至武器型號。此外，產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性工程以及再制造工程是武器型號材料防護(hù)的重要方向。近年來，因?yàn)榄h(huán)境腐蝕問題，造成武器裝備性能嚴(yán)重下降甚至在短期內(nèi)便失效的案例時(shí)有發(fā)生。澳大利亞科研部門今年就對我國在南海武器型號的長期可靠服役提出了質(zhì)疑。因此，針對不同環(huán)境、不同工況的特點(diǎn)，進(jìn)行可靠的環(huán)境實(shí)驗(yàn)，并提出可行的解決方案，最終形成相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊或指南，是保障未來武器型號 “管用、 能用、 好用、 實(shí)用”的關(guān)鍵。

    后記：

    建國以來，我國航天工業(yè)取得了令人矚目的的成就，但也存在諸多不足和危機(jī)：部分關(guān)鍵材料的性能和質(zhì)量尚不穩(wěn)定、低端產(chǎn)品牌號較雜、高端產(chǎn)品缺乏且沒有實(shí)現(xiàn)通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化等等，需要科研工作者們繼續(xù)努力，為我國航天工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供扎實(shí)的材料基礎(chǔ)。

    人物簡介

    鞠鵬飛，工學(xué)博士，高級工程師，碩士研究生導(dǎo)師，1987年9月生于江蘇，工學(xué)博士，現(xiàn)任航天科技八院149廠熱表工程工藝研究室主任、中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)委員。2008年獲得北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2013年6月獲得北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)博士學(xué)位。2015年12月入選上海市青年科技啟明星計(jì)劃。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)科研、國防技術(shù)基礎(chǔ)、上海市科委等課題11項(xiàng)，發(fā)表論文20余篇，申請發(fā)明專利6項(xiàng)，編制航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QJ部標(biāo)）2項(xiàng)。