在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)約翰·肯尼迪航天中心(KSC)為期一學(xué)期的實(shí)習(xí)的主要目的是研究腐蝕對(duì)地面支持設(shè)備(GSE)、發(fā)射支持結(jié)構(gòu)和飛行硬件的影響，以幫助空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)和獵戶(hù)座計(jì)劃。眾所周知，環(huán)境腐蝕是太空海岸上任何金屬結(jié)構(gòu)最大的材料退化問(wèn)題之一，需要啟動(dòng)特殊的保護(hù)措施以適當(dāng)減輕腐蝕。以下所有四個(gè)項(xiàng)目的共同主要目標(biāo)是評(píng)估在多種環(huán)境中發(fā)生腐蝕的模式，以及減少這些腐蝕模式的方法，以提高這些環(huán)境與不同候選金屬的機(jī)械、結(jié)構(gòu)和化學(xué)兼容性，采用了多種測(cè)試方法來(lái)評(píng)估這些不同候選金屬的腐蝕特性。
本報(bào)告所列舉的項(xiàng)目直接代表了作為NASA KSC的NIFS實(shí)習(xí)生在實(shí)習(xí)期間所完成的工作。本次實(shí)習(xí)期間完成的四個(gè)項(xiàng)目包括腐蝕技術(shù)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目、海洋大氣暴露和加速腐蝕測(cè)試之間的時(shí)間相關(guān)性項(xiàng)目、循環(huán)動(dòng)電位極化(CPP)測(cè)試項(xiàng)目和不銹鋼等離子體鈍化測(cè)試(ss)項(xiàng)目。
A. 腐蝕技術(shù)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目
腐蝕技術(shù)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目最初旨在提高網(wǎng)站界面的整體兼容性和用戶(hù)友好性，包括開(kāi)發(fā)某些網(wǎng)站設(shè)計(jì)功能的原型，如交互式歷史時(shí)間表和KSC腐蝕試驗(yàn)場(chǎng)的交互式地圖。一旦這些功能被創(chuàng)建出來(lái)，它們最終將有助于從整體上提升網(wǎng)站的用戶(hù)體驗(yàn)。腐蝕技術(shù)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站的當(dāng)前版本提供了大量關(guān)于不同材料(金屬及其合金)在沿海海洋環(huán)境的高鹽含量以及酸性火箭廢氣(由氧化鋁和鹽酸組成)影響下的腐蝕分析的有用信息。雖然本網(wǎng)站包含極有價(jià)值的信息，但不一定包含最新的信息。這種急需改進(jìn)的跡象強(qiáng)烈地推動(dòng)了新的web界面的開(kāi)發(fā)。
該項(xiàng)目通過(guò)向那些有興趣獲得這些數(shù)據(jù)供自己使用的人介紹準(zhǔn)確和最新的腐蝕數(shù)據(jù)，與美國(guó)宇航局KSC NE-L4組織的目標(biāo)相一致。例如，DoD(國(guó)防部)是NASA KSC大氣腐蝕試驗(yàn)場(chǎng)的重要客戶(hù)，并利用所得數(shù)據(jù)來(lái)幫助他們自己在該領(lǐng)域的應(yīng)用。這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)成果是讓我(作為實(shí)習(xí)生)盡可能多地了解與KSC以及世界其他地方的腐蝕相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。這個(gè)網(wǎng)站重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目的另一個(gè)成果是使公眾觀眾、潛在客戶(hù)和NASA雇員能夠以一種可展示的方式訪問(wèn)這個(gè)網(wǎng)站上包含的數(shù)據(jù)和信息，使用戶(hù)能夠相對(duì)容易地瀏覽這個(gè)網(wǎng)站。
B.海洋大氣暴露和加速腐蝕測(cè)試項(xiàng)目之間的時(shí)間尺度關(guān)聯(lián)性
美國(guó)宇航局KSC實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的大部分腐蝕測(cè)試是針對(duì)將長(zhǎng)期暴露在高鹽環(huán)境中的材料。受大量氯化鈉影響的NASA KSC機(jī)構(gòu)包括發(fā)射支持結(jié)構(gòu)、GSE、飛行硬件和軍用車(chē)輛部件。因?yàn)檫@些實(shí)體不斷受到惡劣海洋環(huán)境的影響，他們需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)來(lái)確保候選材料準(zhǔn)備好保護(hù)我們太空海岸以及美國(guó)其他地方的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，高級(jí)試驗(yàn)必須以系統(tǒng)的方式進(jìn)行，與客戶(hù)和/或NASA的目標(biāo)和總體范圍相一致。該試驗(yàn)包括在海濱大氣腐蝕試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的長(zhǎng)期暴露，根據(jù)客戶(hù)和/或NASA的目標(biāo)，可持續(xù)1.5年、3年、5年或10年。雖然這種長(zhǎng)期的實(shí)時(shí)曝光是獲取精確數(shù)據(jù)的一種很好的方法，但是它不允許加速過(guò)程的可能性。由美國(guó)宇航局KSC腐蝕小組開(kāi)發(fā)的一種方法，將允許催化過(guò)程，包括加速腐蝕試驗(yàn)方法。這些加速腐蝕試驗(yàn)方法包括使用圖1所示的Q-FOG CCT-1100自動(dòng)循環(huán)腐蝕鹽霧箱以及圖2所示的ASST(交變海水噴霧試驗(yàn))裝置。
為了數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的，已經(jīng)進(jìn)行了以前的研究來(lái)比較這兩種測(cè)試方法(長(zhǎng)期和加速)。根據(jù)多項(xiàng)研究中的一項(xiàng)，海濱大氣腐蝕試驗(yàn)場(chǎng)用于測(cè)試長(zhǎng)期和加速試驗(yàn)方法。長(zhǎng)期方法由1010個(gè)鋼(UNS 10100)面板組成，這些面板朝向大西洋傾斜30 °,位于離高潮線100英尺處。加速方法由1010個(gè)鋼(UNS 10100)面板組成，這些面板相對(duì)于海水噴淋系統(tǒng)傾斜30 °,以及根據(jù)ASTM B117標(biāo)準(zhǔn)暴露于5%氯化鈉的中性鹽霧室。開(kāi)發(fā)ASST的目的是通過(guò)使用直接從大西洋抽取的鹽水進(jìn)行加速測(cè)試。
該項(xiàng)目通過(guò)提供利用長(zhǎng)期暴露測(cè)試方法與加速測(cè)試方法之間的差異的準(zhǔn)確表示，與NE-L4組織的目標(biāo)保持一致。通過(guò)實(shí)施加速試驗(yàn)方法，腐蝕工程團(tuán)隊(duì)尤其能夠正確評(píng)估每種試驗(yàn)方法的性能，以便在以后以更快的速度對(duì)某些候選材料進(jìn)行試驗(yàn)。另一項(xiàng)分析1010個(gè)鋼長(zhǎng)期和加速腐蝕相關(guān)性的類(lèi)似研究表明，加速試驗(yàn)方法的腐蝕速率(0.71mm/y)大于長(zhǎng)期暴露方法(0.55mm/y)。這項(xiàng)研究的預(yù)期結(jié)果包括獲得更多最新數(shù)據(jù)，在確定更快速的測(cè)試方法方面取得更大進(jìn)展，以及滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。通過(guò)表明只有加速腐蝕試驗(yàn)才是未來(lái)材料腐蝕分析的可能選擇，這些將有助于總體努力的進(jìn)步和成功。該項(xiàng)目的當(dāng)前狀態(tài)被認(rèn)為是持續(xù)的，可能會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。
該項(xiàng)目的發(fā)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集，如質(zhì)量損失和表面粗糙度。使用OHAUS Pioneer@Plus精密天平測(cè)量每個(gè)校準(zhǔn)板的質(zhì)量損失，精確到1克的百分之一，同時(shí)使用Keyence VHX-5000數(shù)字顯微鏡測(cè)量表面粗糙度。在最終質(zhì)量評(píng)估之前，還對(duì)面板進(jìn)行了后處理，以減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后可能殘留在面板表面的任何殘余碎片，測(cè)試方法包括使用TRINCO?柜和集塵器。噴砂室的碳化鎢(WC)噴嘴能夠以較強(qiáng)的速度噴射碳化硅(SiC)顆粒，確保從面板上清除99.9%的松散碎片。例如，在ASST暴露97天后評(píng)估圖3中的1018碳鋼校準(zhǔn)板，其中該板產(chǎn)生43.42g的總質(zhì)量損失，這構(gòu)成了從其初始質(zhì)量349.88 g的質(zhì)量減少12.41%。除了評(píng)估相應(yīng)的1018碳鋼校準(zhǔn)板的質(zhì)量損失之外，在使用噴砂方法之前測(cè)量樣品的表面粗糙度。當(dāng)使用Keyence VHX-5000數(shù)字顯微鏡時(shí)，確定在圖4中顯示的指定區(qū)域內(nèi)的面板表面上出現(xiàn)了大約2200 μm的最大偏差。對(duì)圖5中的1018碳鋼校準(zhǔn)板執(zhí)行相同的程序，該校準(zhǔn)板在暴露于大氣119天后進(jìn)行評(píng)估，其中該板產(chǎn)生28.10 g的總質(zhì)量損失，這構(gòu)成了從其349.75 g的初始質(zhì)量的8.03%的質(zhì)量減少。表面粗糙度測(cè)量以與前述ASST板相同的方式完成，該ASST板產(chǎn)生600 m的最大偏差 在兩種不同測(cè)試方法(ASST和大氣暴露)下的兩個(gè)面板中，結(jié)果顯示，與大氣暴露相比，ASST的腐蝕能力更強(qiáng)，即使暴露持續(xù)時(shí)間更短。 兩塊板之間表面粗糙度的差異表明，長(zhǎng)期暴露于大氣中會(huì)產(chǎn)生更均勻的腐蝕表面形貌，而加速暴露會(huì)產(chǎn)生更粗糙、更不均勻的表面形貌。
除了長(zhǎng)期大氣暴露測(cè)試之外，還進(jìn)行了上述加速測(cè)試。在長(zhǎng)期大氣暴露測(cè)試期間，1018碳鋼校準(zhǔn)板沒(méi)有受到任何種類(lèi)的加速因子的影響，就像那些受到ASST或Q-FOG CCT-1100自動(dòng)循環(huán)腐蝕鹽霧箱影響的板一樣。相反，這些面板暴露在自然發(fā)生的環(huán)境影響中，如雨水、風(fēng)、紫外線輻射和實(shí)時(shí)氯化物濃度。經(jīng)受住長(zhǎng)期試驗(yàn)的試驗(yàn)板位于NASA KSC基地的多個(gè)地點(diǎn)，包括LETF、VAB的多普勒基地、LC-39B和海濱大氣腐蝕試驗(yàn)基地。在除VAB之外的所有現(xiàn)場(chǎng)位置，實(shí)驗(yàn)測(cè)試架上的一組面板被有目的地覆蓋上金屬覆蓋層，以比較受保護(hù)面板與未受保護(hù)面板對(duì)紫外線輻射評(píng)估的屏蔽效果。所有現(xiàn)場(chǎng)位置都配備了氯化物濃度收集蠟燭芯，如圖7所示，其主要功能是收集周?chē)髿庵械穆然?，以供以后進(jìn)行化學(xué)評(píng)估，ISO-9225:金屬和合金的腐蝕-大氣腐蝕性-污染測(cè)量中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。該化學(xué)評(píng)估包括一個(gè)稱(chēng)為滴定的過(guò)程，通過(guò)該過(guò)程，負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)室人員試圖根據(jù)SW-846試驗(yàn)方法9212:用離子選擇性電極對(duì)水樣中的氯化物進(jìn)行電位測(cè)定所指示的另一種溶液的濃度來(lái)確定氯化物的濃度。
自從1966年實(shí)驗(yàn)測(cè)試誕生以來(lái)，美國(guó)宇航局KSC已經(jīng)評(píng)估了數(shù)百個(gè)面板，并計(jì)劃在未來(lái)許多年繼續(xù)這項(xiàng)正在進(jìn)行的研究。
C.循環(huán)電位極化（CPP）測(cè)試項(xiàng)目
獵戶(hù)座乘員艙(CM)的目標(biāo)最終將是在2030年發(fā)射到火星的SLS火箭上運(yùn)送宇航員。艙內(nèi)活動(dòng)(IVA)服裝目前正在組裝、修改和測(cè)試，以確保宇航員在不遲于(NLT) 2021年進(jìn)行的探索任務(wù)2 (EM-2)期間的安全。在獵戶(hù)座乘員生存系統(tǒng)(OCSS)和環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(ECLSS)的冷卻回路中，兩種不同金屬與獵戶(hù)座選擇的生物殺滅劑溶液之間的材料兼容性正在進(jìn)行測(cè)試。CPP(循環(huán)動(dòng)電位極化)測(cè)試應(yīng)該讓參與該項(xiàng)目的人員了解如何改進(jìn)該系統(tǒng)，并最終使其對(duì)未來(lái)的Orion機(jī)組成員安全。候選金屬合金將作為試驗(yàn)階段的試樣。
實(shí)驗(yàn)裝置包括飽和甘汞電極(SCE)、殺菌劑溶液、腐蝕電池室、恒電位儀和油漆電池。在進(jìn)行任何CPP實(shí)驗(yàn)之前，有必要成功校準(zhǔn)每個(gè)可用的SCE，以確保參考電極在±7.0 mV的設(shè)定公差內(nèi)，如圖8所示。
本研究尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)將在本報(bào)告提交后進(jìn)行。 這個(gè)CPP測(cè)試項(xiàng)目是NASA JSC和NASA KSC的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目，最終將為未來(lái)的材料選擇提供重要數(shù)據(jù)。為未來(lái)的材料選擇提供重要的數(shù)據(jù)。
D.不銹鋼（SS）的等離子體鈍化測(cè)試項(xiàng)目
由于腐蝕總是需要監(jiān)測(cè)和控制，美國(guó)航天局KSC應(yīng)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種可能的方法來(lái)處理GSE和發(fā)射支撐結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境中使用的不同類(lèi)型的不銹鋼。本項(xiàng)目的目的是評(píng)估氣態(tài)等離子體對(duì)304不銹鋼、316不銹鋼、440不銹鋼和286不銹鋼的總體影響，并分析樣品的物理屬性，如外觀、表面粗糙度和暴露在等離子體室內(nèi)后可能的臺(tái)階高度。
該設(shè)置包括使用具有壓力、工藝氣體(氫氣、氧氣、氬氣等)能力的等離子體室(如圖9和圖10所示)功率和曝光時(shí)間修改。如圖11所示，每個(gè)樣本的一半用Kapton膠帶粘貼，而另一半未粘貼。該粘貼程序旨在評(píng)估每個(gè)樣本的粘貼一半與完全暴露的一半的保護(hù)性能(如有)。到目前為止，已經(jīng)在等離子體室中完成了三個(gè)實(shí)驗(yàn)。在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，每種不銹鋼的兩個(gè)樣品暴露了四個(gè)小時(shí)。該特定測(cè)試的參數(shù)包括0.1毫巴的室壓和一分鐘的初始?xì)怏w供應(yīng)持續(xù)時(shí)間。在每組實(shí)驗(yàn)之后，將最近測(cè)試的實(shí)驗(yàn)樣品與僅暴露在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中大約一周的樣品進(jìn)行比較，以進(jìn)行總體外觀評(píng)估(即，暴露一周后有明顯腐蝕特性的跡象)。在最初的兩次測(cè)試后，決定采用一種水破壞測(cè)試，該測(cè)試涉及樣本的清潔，以確保在等離子體室中測(cè)試前樣本上沒(méi)有污染物或碎片。這包括使用超純水凈化系統(tǒng)和Liquinox肥皂清洗和沖洗樣品。
在測(cè)試和一周評(píng)估后，在配備有VK觀察器和VK分析儀軟件的Keyence VK-X200激光顯微鏡(如圖12所示)上分析樣品，目的是獲得表面粗糙度和在有膠帶/無(wú)膠帶界面處步長(zhǎng)的可能增大/減小。如圖13所示，在該裝置上的激光顯微鏡顯示界面沒(méi)有突然變化。
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