韓修柱，霍秀兵，周志勇，常磊，王謙，王旭東

航天器結(jié)構(gòu)用不同材質(zhì)的側(cè)面銷釘和螺母組件的耐蝕性能研究

韓修柱1，霍秀兵2，周志勇1，常磊2，王謙3，王旭東4

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094；4.北京科技大學(xué)，北京 100083）

針對航天器結(jié)構(gòu)用不同材質(zhì)的側(cè)面銷釘和螺母組件在實際的使用工況下極易出現(xiàn)腐蝕與咬死的問題，對不同材質(zhì)的側(cè)面銷釘和螺母組件的耐蝕性能進行研究。分別在高量級腐蝕條件和低量級腐蝕條件下，采用重復(fù)擰緊試驗方法，對側(cè)面銷釘和螺母開展耐腐蝕性能、防咬死性能研究。在高量級腐蝕條件下，無表面處理的30CrMnSiA側(cè)面銷釘+TC4螺母組件在經(jīng)歷12 h腐蝕試驗后，其表面發(fā)生了100%的腐蝕；經(jīng)歷過重復(fù)擰緊試驗的30CrMnSiA（表面鍍鎳）側(cè)面銷釘+TC4螺母組件，在經(jīng)歷12 h腐蝕試驗后，其表面腐蝕面積＞50%；未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗的30CrMnSiA（表面鍍鎳）側(cè)面銷釘+TC4螺母組件，在經(jīng)歷12 h腐蝕試驗后，其腐蝕面積約為25%～50%。在低量級腐蝕條件下，經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗和未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗的30CrMnSiA（表面鍍鎳）側(cè)面銷釘+TC4螺母組件均未發(fā)生表面腐蝕，而30CrMnSiA（無鍍鎳）側(cè)面銷釘+TC4螺母組件的腐蝕面積為25%～50%。鍍鎳處理可以顯著提高30CrMnSiA側(cè)面銷釘?shù)哪透g性能。經(jīng)過鍍鎳表面處理的30CrMnSiA側(cè)面銷釘比經(jīng)過表面鈍化處理的1Cr17Ni2側(cè)面銷釘具有更好的耐蝕性能、防咬死性能和環(huán)境適應(yīng)性。重復(fù)擰緊雖然對鍍鎳側(cè)面銷釘?shù)哪透g性能有影響，但重復(fù)擰緊后的側(cè)面銷釘和螺母組件的耐蝕性能仍優(yōu)于無鍍鎳處理的側(cè)面銷釘和螺母組件。30CrMnSiA鍍鎳側(cè)面銷釘+ TC4螺母的組件通過了低量級實際工況的鹽霧試驗考核。

銷釘；螺母；防咬死；耐腐蝕

隨著航天器結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的鉚接結(jié)構(gòu)逐漸過渡為螺接、焊接等結(jié)構(gòu)，非標(biāo)螺釘、螺母越來越廣泛地應(yīng)用于局部結(jié)構(gòu)的連接[1-5]。航天器結(jié)構(gòu)承載較大的位置更傾向于使用大規(guī)格的非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)。目前，我國載人航天領(lǐng)域的某飛船主艙段采用非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)的局部位置數(shù)量約為14處/艙，而且約70%的該類位置為艙段結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接位置。這些關(guān)鍵連接位置不僅影響結(jié)構(gòu)的承載安全性和可靠性，對整個飛行任務(wù)的成敗也至關(guān)重要[6-8]。

非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)一般采用棒材或板材進行機械加工制備，與典型標(biāo)準(zhǔn)緊固件的制備工藝、微觀組織和性能存在明顯的差異，對外界環(huán)境和承載等的敏感性更高，在同樣的承載條件和環(huán)境（如溫度、接觸介質(zhì)等）下，非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)更易在眾多因素耦合的情況下出現(xiàn)破壞失效和表面腐蝕[9-11]。因此，螺接結(jié)構(gòu)對應(yīng)材質(zhì)的選擇較為重要，這是保證螺接結(jié)構(gòu)能夠安全可靠工作、服役的首要條件[12]。在眾多的航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計和非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用中，螺接結(jié)構(gòu)在重復(fù)擰緊、地面轉(zhuǎn)運和生產(chǎn)等工況下產(chǎn)生的局部變形、卡滯、咬死、腐蝕等問題一直是困擾結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用的重要工程問題。因此，航天器典型結(jié)構(gòu)的非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選材、性能研究（耐腐蝕性能、耐空間環(huán)境性能）等至關(guān)重要[13-15]。

文中以某航天器局部結(jié)構(gòu)所用的“側(cè)面銷釘和螺母”典型非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)為研究載體，對側(cè)面銷釘和螺母開展防咬死性能、耐蝕性能的研究，揭示非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)在地面模擬試驗條件下的防咬死性能和耐蝕性能演變規(guī)律，為后續(xù)航天器局部非標(biāo)螺接結(jié)構(gòu)的設(shè)計、選材提供支撐。

1 試驗

1.1 材料

文中研究的側(cè)面銷釘和螺母組件對應(yīng)的狀態(tài)（材質(zhì)和表面處理狀態(tài)）主要有4種：（1）側(cè)面銷釘?shù)牟馁|(zhì)和表面處理狀態(tài)為不銹鋼1Cr17Ni2+表面鈍化，螺母的材質(zhì)和表面處理狀態(tài)為鈦合金TC4+無表面處理；（2）側(cè)面銷釘?shù)牟馁|(zhì)和表面處理狀態(tài)為不銹鋼1Cr17Ni2+無表面處理，螺母的材質(zhì)和表面處理狀態(tài)為鈦合金TC4+無表面處理；（3）側(cè)面銷釘?shù)牟馁|(zhì)和表面處理狀態(tài)為30CrMnSiA+無表面處理，螺母的材質(zhì)和表面處理狀態(tài)為鈦合金TC4+無表面處理；（4）側(cè)面銷釘?shù)牟馁|(zhì)和表面處理狀態(tài)為30CrMnSiA+表面鍍鎳處理，螺母的材質(zhì)和表面處理狀態(tài)為鈦合金TC4+無表面處理。側(cè)面銷釘和螺母結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。側(cè)面銷釘?shù)谋砻驸g化工藝如下：在標(biāo)準(zhǔn)的硝酸溶液中放置5～10 min，取出后清洗干燥。側(cè)面銷釘?shù)腻冩囂幚砉に嚾缦拢涸跍囟葹?0～60 ℃的鎳槽中持續(xù)鍍覆4 h，取出后放入烘箱，在60～90 ℃溫度下烘烤3 h。

圖1 側(cè)面銷釘和螺母結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

1.2 方法

文中試驗內(nèi)容分為2個部分：防咬死性能測試試驗和耐蝕性能測試試驗。防咬死性能測試試驗根據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)連接形式主要采用重復(fù)擰緊試驗方式。結(jié)合側(cè)面銷釘和螺母組件在艙體中的實際連接狀態(tài)，將側(cè)面銷釘在固定力矩下重復(fù)多次擰入螺母中，觀察側(cè)面銷釘?shù)穆菁y外觀形狀演化和質(zhì)量變化情況，重復(fù)擰緊試驗示意圖如圖2所示，試驗施加的力矩為40 N·m，重復(fù)擰緊次數(shù)>20。

耐蝕性能測試試驗條件分為高量級試驗條件和低量級試驗條件。高量級試驗條件下的耐蝕性能測試試驗方法和要求按照QJ2027《金屬鍍覆層耐鹽霧試驗方法》中的規(guī)定進行，采用鹽霧試驗設(shè)備交替進行噴霧+干燥試驗，噴霧和干燥的時間均為24 h，共進行2個循環(huán)，鹽霧試驗總時間為96 h，鹽霧試驗設(shè)備如圖3所示。低量級試驗條件下的耐蝕性測試方法和試驗條件均根據(jù)空間站產(chǎn)品環(huán)境及試驗規(guī)范開展。

圖2 側(cè)面銷釘和螺母重復(fù)擰緊試驗示意圖（mm）

圖3 CCT–600型Q–Fog循環(huán)鹽霧腐蝕試驗設(shè)備

1.3 試驗內(nèi)容

重復(fù)擰緊試驗共分為2組，每組均采用2副試驗件：第1組側(cè)面銷釘采用的材質(zhì)為不銹鋼1Cr17Ni2，表面采用鈍化處理，螺母采用的材質(zhì)為鈦合金TC4，無表面處理；第2組側(cè)面銷釘采用的材質(zhì)為30CrMnSiA，表面采用鍍鎳處理，螺母采用的材質(zhì)為鈦合金，無表面處理。

重復(fù)擰緊試驗采用數(shù)顯力矩扳手，將單副螺紋螺母重復(fù)擰緊退出20次，擰緊力矩為40 N·m。在進行重復(fù)擰緊試驗時，通過在重復(fù)擰緊裝置下方放置白紙收集側(cè)面銷釘和螺母間脫落/掉落的多余物，對每次退出時的多余物進行觀測，試驗結(jié)束后查看內(nèi)外螺紋是否完整，表面鍍覆層是否有損傷，是否發(fā)生了卡滯、卡死及咬死等情況。

耐蝕性能試驗共分為3組，每組均采用2副試驗件：第1組側(cè)面銷釘采用的材質(zhì)為30CrMnSiA，無表面處理，螺母采用的材質(zhì)為鈦合金TC4，無表面處理；第2組側(cè)面銷釘采用的材質(zhì)為30CrMnSiA，表面采用鍍鎳處理，螺母采用的材質(zhì)為鈦合金TC4，無表面處理，該組的側(cè)面銷釘和螺母均未經(jīng)歷過重復(fù)擰緊試驗；第3組側(cè)面銷釘采用的材質(zhì)為30CrMnSiA，表面采用鍍鎳處理，螺母采用的材質(zhì)為鈦合金TC4，無表面處理，該組的側(cè)面銷釘和螺母均經(jīng)歷過重復(fù)擰緊試驗。參照《金屬鍍覆層耐鹽霧試驗方法》，對側(cè)面銷釘和螺母組件開展局部結(jié)構(gòu)級鹽霧試驗，測試其耐蝕性能，每12 h檢查樣品的腐蝕情況，按照GB/T 6461—2002記錄樣品的腐蝕面積。

為了初步判定不銹鋼、合金鋼及鈦合金材料本身的耐蝕性能，在開始進行重復(fù)擰緊試驗和耐蝕性能試驗前，對不銹鋼、合金鋼及鈦合金材料的試片（每種材質(zhì)的試片3件）進行高量級試驗條件下的鹽霧試驗。以不銹鋼、合金鋼及鈦合金材料試片級的鹽霧結(jié)果作為參考，初步判定3種材料的耐腐蝕性能，同時將該結(jié)果作為后續(xù)低量級試驗條件下鹽霧試驗進一步開展的依據(jù)。材料級試片規(guī)格如圖4所示，試片厚度為2 mm。文中的主要試驗流程如圖5所示。

圖4 材料耐蝕性能試片示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 高量級腐蝕條件下側(cè)面銷釘和螺母的材料級耐蝕性能研究

圖6和圖7分別顯示了側(cè)面銷釘和螺母材料試片在鹽霧試驗前后的表面狀態(tài)。3件未鈍化的側(cè)面銷釘試片表面均未發(fā)生腐蝕，腐蝕面積為0；3件鈍化的側(cè)面銷釘?shù)氖茉嚸婢l(fā)生腐蝕，保護評級為3級；3件螺母試片的表面也未發(fā)生腐蝕，腐蝕面積為0。對于擁有更高強度的1Cr17Ni2合金，鈍化后的表面相對于未鈍化的表面更易發(fā)生表面腐蝕，而TC4鈦合金在經(jīng)過長時間的鹽霧試驗后表面未發(fā)生腐蝕。

圖5 試驗流程

2.2 不同材質(zhì)的側(cè)面銷釘與螺母防咬死性能研究

側(cè)面銷釘和螺母重復(fù)擰緊試驗結(jié)果如下：（1）當(dāng)使用不銹鋼1Cr17Ni2+表面鈍化的側(cè)面銷釘以及鈦合金TC4態(tài)的螺母進行試驗時，發(fā)生了銷釘外螺紋損傷、大螺母內(nèi)螺紋無損傷的試驗現(xiàn)象，側(cè)面銷釘與螺母之間未發(fā)生咬死，但側(cè)面銷釘外螺紋不能順利擰入螺母內(nèi)螺紋中，無肉眼可見多余物；（2）當(dāng)使用30CrMnSiA+表面鍍鎳處理的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4態(tài)的螺母進行試驗時，內(nèi)外螺紋均無損傷，側(cè)面銷釘與螺母之間未發(fā)生咬死，側(cè)面銷釘能夠順利擰入螺母中，無肉眼可見多余物。

圖6 1Cr17Ni2合金側(cè)面銷釘表面鈍化與未鈍化鹽霧試驗前后的表面狀態(tài)

圖7 TC4合金螺母鹽霧試驗前后的表面狀態(tài)

試驗結(jié)果表明，強度更高的不銹鋼1Cr17Ni2經(jīng)過表面鈍化處理，與鈦合金螺母重復(fù)擰緊后雖未發(fā)生咬死，但外螺紋有損傷，試驗后螺紋副存在卡滯問題，不能順利擰合。而30CrMnSiA經(jīng)過表面鍍鎳處理，與鈦合金螺母重復(fù)擰緊后，無螺紋損傷、咬死、卡滯、鍍層脫落等情況出現(xiàn)，內(nèi)外螺紋均無損傷且試驗后能順利擰合。因此，對于均進行了相應(yīng)表面處理的1Cr17Ni2（表面鈍化）和30CrMnSiA（表面鍍鎳）2種材料制備的側(cè)面銷釘，后者能夠滿足實際工況的擰緊需求，而不會出現(xiàn)咬死、卡滯等問題。

2.3 高量級腐蝕條件下側(cè)面銷釘與螺母結(jié)構(gòu)的耐蝕性能研究

根據(jù)上述研究結(jié)果，下面主要針對30CrMnSiA合金的側(cè)面銷釘和鈦合金螺母組件開展耐蝕性能研究，試驗結(jié)果如圖8所示。側(cè)面銷釘和螺母的腐蝕情況如下：（1）30CrMnSiA+無表面處理的側(cè)面銷釘和鈦合金螺母在經(jīng)歷12 h的鹽霧試驗后，側(cè)面銷釘表面的腐蝕面積已到達(dá)約100%；（2）在側(cè)面銷釘和螺母未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗的前提下，30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金螺母在經(jīng)歷12 h的鹽霧試驗后，側(cè)面銷釘表面的腐蝕面積約25%～50%，經(jīng)歷72 h的鹽霧試驗后，側(cè)面銷釘表面的腐蝕面積約25%～50%；（3）在側(cè)面銷釘和螺母經(jīng)歷了重復(fù)擰緊試驗的前提下，30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金螺母經(jīng)歷了12 h的鹽霧試驗后，側(cè)面銷釘表面的腐蝕面積>50%。

從上述結(jié)果可以看出，未經(jīng)過表面處理的30CrMnSiA合金的側(cè)面銷釘（第1組）表面在12 h后發(fā)生銹蝕，且銹蝕面積達(dá)100%；未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗、表面鍍鎳處理的側(cè)面銷釘（第2組）同第1組相比，在銹蝕時間相同的前提下，銹蝕面積大幅度減少；經(jīng)歷過重復(fù)擰緊試驗、表面鍍鎳處理的側(cè)面銷釘（第3組）同第2組相比，銹蝕面積增加，在重復(fù)擰緊過程中表面鎳鍍層發(fā)生了破壞，從而導(dǎo)致腐蝕速度增加，腐蝕面積增大。因此，在實際側(cè)面銷釘和螺母的應(yīng)用中，應(yīng)盡量減少側(cè)面銷釘和螺母的擰緊次數(shù)，并及時關(guān)注側(cè)面銷釘鍍層表面的脫落與破壞情況。

2.4 低量級腐蝕條件下側(cè)面銷釘和螺母結(jié)構(gòu)的耐蝕性能研究

根據(jù)上述試驗結(jié)果并結(jié)合空間結(jié)構(gòu)環(huán)境，對30CrMnSiA側(cè)面銷釘（無表面處理、鍍鎳+未經(jīng)歷擰緊試驗的、鍍鎳+經(jīng)歷了擰緊試驗的）和鈦合金螺母組件進行低量級試驗條件下的耐蝕性能研究。試驗結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明，無論是否經(jīng)歷過重復(fù)擰緊試驗，表面鍍鎳的側(cè)面銷釘表面均未發(fā)生腐蝕，表面保護評級為10級，即腐蝕面積0%。無鍍鎳處理的側(cè)面銷釘試驗件在低量級試驗條件下均發(fā)生了表面腐蝕現(xiàn)象，腐蝕面積為25%～50%。綜上，30CrMnSiA+表面鍍鎳和鈦合金螺母組件滿足產(chǎn)品在低量級試驗條件下的耐蝕性要求。

a 無表面處理，試驗前；b 無表面處理，試驗后；c 鍍鎳+未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗，試驗前；d 鍍鎳+未經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗，試驗后；e 鍍鎳+經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗，試驗前；f 鍍鎳+經(jīng)歷重復(fù)擰緊試驗，試驗后。

2.5 30CrMnSiA側(cè)面銷釘和TC4螺母結(jié)構(gòu)的防咬死性能研究

為了研究低量級試驗條件下鹽霧試驗對側(cè)面銷釘和螺母防咬死性能的影響，在30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4的螺母完成低量級試驗條件下的鹽霧試驗后，對組件再次進行了重復(fù)擰緊試驗。試驗結(jié)果如圖10所示。30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4的螺母組件在第2次重復(fù)擰緊試驗過程中未發(fā)生咬死、卡滯、卡死等情況，內(nèi)外螺紋均能順利擰入擰出，無鍍層脫落出現(xiàn)。重復(fù)擰緊試驗結(jié)果表明，低量級試驗條件下的鹽霧試驗對30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4的螺母組件的防咬死性能無影響。

3 結(jié)論

1）30CrMnSiA+表面鍍鎳處理的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4螺母組件與1Cr17Ni2+表面鈍化的側(cè)面和鈦合金TC4螺母組件相比，具有更好的耐蝕性能和防咬死性能。無表面處理的鈦合金TC4螺母在高、低量級的試驗條件下，表面均未發(fā)生腐蝕，在重復(fù)擰緊試驗過程中，螺母的內(nèi)螺紋也未發(fā)生失效或破壞。鈦合金TC4螺母具有良好的耐腐蝕、防咬死性能。

2）對30CrMnSiA的側(cè)面銷釘進行表面鍍鎳處理可以顯著提高其耐腐蝕性能。重復(fù)擰緊對表面鍍鎳的30CrMnSiA的側(cè)面銷釘?shù)哪臀g性能具有較為明顯的影響，經(jīng)歷高量級試驗條件下的鹽霧試驗后，重復(fù)擰緊后的、表面鍍鎳的30CrMnSiA的側(cè)面銷釘?shù)谋砻娓g明顯。

3）重復(fù)擰緊試驗前后的30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4螺母組件均通過了低量級實際工況的鹽霧試驗考核；而無表面處理的30CrMnSiA側(cè)面銷釘未通過相關(guān)的鹽霧試驗考核。低量級試驗條件下的鹽霧試驗對30CrMnSiA+表面鍍鎳的側(cè)面銷釘和鈦合金TC4螺母組件的防咬死性能無影響。

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Corrosion-resistance of Side Screw and Nut Assembly in Spacecraft Structure of Different Materials

HAN Xiu-zhu1, HUO Xiu-bing2, ZHOU Zhi-yong1, CHANG Lei2, WANG Qian3, WANG Xu-dong4

(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China; 2. Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China; 3. DFH Satellite Co., Ltd., Beijing 100094, China; 4. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

The work aims to study the corrosion-resistance of side screw and nut assembly in spacecraft structure of different materials to solve the problem that the side screw and nut assembly in the spacecraft is prone to mutual bite and surface corrosion in the actual working conditions. Under high-level corrosion conditions and low-level corrosion conditions, the repeated tightening test was conducted to study the thread anti-bite performance and corrosion-resistance of side screws and nuts. Under the high-level corrosion conditions, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly without surface treatment was about 100% after 12 h of corrosion test. While, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating without and with repeated tightening were 25%～50% and >50%, respectively. Under the low-level corrosion conditions, the surface corrosion did not occur to 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating with and without repeated tightening. Nevertheless, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly without nickel plating were 25%～50%. The corrosion-resistance of 30CrMnSiA side screw could be improved by nickel plating. The 30CrMnSiA side screw with nickel plating has better corrosion-resistance, thread anti-bite performance and environmental adaptability compared with that of the 1Cr17Ni2 with passivated surface. Although repeated tightening has an impact on the corrosion-resistance of the side screw with nickel plating, the side screw and nut assembly after repeated tightening still has better corrosion-resistance than the side screw and nut assembly without nickel plating. At last, the corrosion-resistance of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating passes the salt spray test assessment under the low-level corrosion conditions of the spacecraft.

screw; nut; thread anti-bite performance; corrosion-resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.020

TG30

A

1674-6457(2022)07-0143-07

2021–08–01

中國空間技術(shù)研究院“杰青”人才項目

韓修柱（1985—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計、鎂合金及鋁合金等輕質(zhì)材料的工程化應(yīng)用。

責(zé)任編輯：蔣紅晨