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爱恩邦德公司为斯奈克玛(赛峰集团)太空推进器提供涂层服务

04 二月 2013

人们通常认为物理气象沉积与化学气象沉积涂层就是一般的耐磨薄膜,可以延长工具与机器部件的使用寿命。实际上,这些涂层也可以提供很多其他独特的表面性能。爱恩邦德公司的标识语“表面处理专家”说明我们专注于表面处理事业,尽一切力量满足客户的特定需求。

法国公司斯奈克玛(网址www.snecma.com)要求爱恩邦德公司为他们的新产品-等离子推进发动机提供特殊涂层服务,等离子推进发动机的作用是将航天器送进轨道并使卫星保持在轨道中运行。斯奈克玛生产的这些等离子推进发动机主要是为电信卫星服务,例如最近与欧洲太空总署合作开发的“阿尔法客车”。

等离子推进系统是一种反应式发动机,利用电能与等离子产生推力。相反地,化学推进系统依靠化学反应产生推力。有趣的是,两种电动机均是使用牛顿第三运动定律作为它们的基本工作原理。化学推进系统虽然是主流技术,但是会物理限制废气排放速度以及飞行器的最大速度。另外,“耗热率”(火箭科学家称之为“比推力”)比较低。虽然等离子推进发动机的推力适中,但是持久性能强,燃料效率也较高。等离子推进器可以使航天器达到一个令人瞩目的的速度50公里/秒(合180 000 公里/小时)。

斯奈克玛公司生产制造以电离氙气作为推进剂,静电场作为加速工具的霍尔效应等离子推进器,氙气等离子通过氙原子与电子的碰撞在圆柱形阳极形成。氙离子随后加速并且冲出阳极。最后氙离子再次与电子结合,使整个环境保持电中性。斯奈克玛工程师利用空心阴极原理产生电离所需的电子。空心阴极利用气态离子的能量维持电子发射所需的高温条件。在这种高温条件下,所使用的材料之间发生不必要的化学反应,然而在室温条件下,这些材料通常是惰性的。因此为了避免航天器在使用过程中的性能降低,有必要对其表面进行特定的涂层处理。

氮化锆(ZrN)材料被确认可作为阻止扩散的一种有效手段。爱恩邦德公司工程师的任务就是开发出一套可以在空心阴极组件表面产生氮化锆(ZrN)的工艺流程。这个任务具有极高的挑战性。首先,必须在具有高深宽比的产品内径部位形成涂层。第二,涂层有必要厚一些(与一般厚度要求相比较),起码可以牢固地粘附在所使用的难熔金属表面。第三,沉积的氮化锆(ZrN)薄膜必须呈现出符合斯奈克玛公司规格的一种特殊的形态与晶格。

因为物理气象沉积工艺不适用于内径涂层沉积,爱恩邦德公司的工艺工程师开始把目光投向化学气象沉积技术。通过对纯锆进行氯化处理,随后将形成的氯化锆ZrCl4蒸汽转移至反应区,与氢气和氮气或含氮气体在高温条件下形成氮化锆沉积物。在常规工艺中,氮化锆的沉积率为每小时不超过一微米,这种工艺无法满足较厚涂层的要求。因此,爱恩邦德公司的工程师必须想办法提高沉积率。反应物浓度,氯化和沉积温度,压力与负载设置均被看作为影响沉积率的几大因素。经过初步的热力学分析之后,选择每个参数的可行范围,设计好实验矩阵。除了沉积率,晶格与形态类型也作为反应变数接受监控。

数据实验与分析可建立输入参数与反应变数之间的依赖性。事实证明沉积温度是影响氮化锆沉积率的最大因素,氢气与氯化锆之间的的浓度比率是影响氮化锆沉积率的第二大因素。必须特别关注负载设置以便确保涂层的厚度分布与均匀性在可接受范围内。由于总体的优化任务包括三个参数(沉积率,形态与晶格类型),因此在保持最大沉积率的基础上有必要对工艺参数进行实质性的调整以获得符合规格的涂层。

爱恩邦德工程师成功地克服了这些挑战,为斯奈克玛公司的产品开发出氯化锆涂层的特殊工艺。这种工艺不仅满足了斯奈克玛公司的所有要求,沉积率也增长了四倍。首件样品将被送至斯奈克玛公司进行测试并安装在等离子推进器上。“这是一项复杂而冒险的需要多方面优化的任务。爱恩邦德公司的工程师展现出了他们的专业,深厚的技术功底以及解决问题的热情。向他们致敬!”斯奈克玛公司项目经理吉勒斯如是说。

若有进一步的问题,请联系 Val Lieberman

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