熱處理對鉬柵極材料力學(xué)性能影響研究

　　離子推力器的柵極是一種多孔薄壁零件，其重要功能是從放電室中引出并加速離子從而產(chǎn)生推力。為了增強柵極組件的工作穩定性和結構強度，尤其是對于大口徑離子推力器，通常柵極需要做成球面型。而且產(chǎn)品最終需要通過(guò)振動(dòng)和沖擊測試，因此柵極材料的力學(xué)性能對產(chǎn)品至關(guān)重要。研究了柵極的主要材料鉬，試驗了在不同溫度下鉬柵極材料的熱處理，通過(guò)金相分析和樣片力學(xué)拉伸試驗，得到了經(jīng)過(guò)不同熱處理鉬片的金相、抗拉強度和延伸率等材料特性，通過(guò)總結分析得出了適合鉬柵極的熱處理。

　　引言

　　電推進(jìn)是一種新型航天動(dòng)力系統，具有比重高、控制精度高的特點(diǎn)，是提升平臺能力的必要手段。離子推力器是空間電推進(jìn)的一種，歐美國家已經(jīng)將其應用于航天器以提高性能。其工作原理是利用電能將推進(jìn)劑電離，再通過(guò)柵極組件(亦稱(chēng)離子光學(xué)系統)引出并加速離子產(chǎn)生推力，因此柵極組件的穩定性和可靠性直接影響推力器的性能。柵極是一種多孔薄壁件，在0.5 mm左右厚的板材上開(kāi)成千上萬(wàn)個(gè)小孔，幾何透明度最高可達70%。柵極材料要有優(yōu)良的熱穩定性，不但要耐離子的濺射腐蝕，還要能抵抗發(fā)射以及機構解鎖所受到的沖擊，其材料可為鉬、鈦或者碳，目前國內柵極大都為鉬。柵極組件工作時(shí)受熱膨脹，但是柵間距要保持在一定范圍內。為了增強柵極組件的工作穩定性和結構強度，大口徑柵極一般設計為球面型。鉬柵極球面加工首先要進(jìn)行預成型，然后進(jìn)行熱處理消除加工應力并保持最終形狀。鉬柵極的熱處理通常選用氫氣爐，熱處理的關(guān)鍵參數是熱處理溫度和保溫時(shí)間。

　　經(jīng)過(guò)熱處理后的鉬柵極是最終產(chǎn)品，將作為組件裝配到離子推力器上使用。作為航天產(chǎn)品，不但要求優(yōu)良的工作穩定性，還必須通過(guò)單機的震動(dòng)和沖擊試驗以保證產(chǎn)品能安全通過(guò)發(fā)射環(huán)境，因此需要材料有良好的塑性和韌性。本研究目的是要通過(guò)熱處理試驗找出滿(mǎn)足工程應用的鉬柵極材料特性。

1、實(shí)驗及方法

　　試樣材料均采集于0.4 mm和0.5 mm厚的柵極材料，其中拉伸試樣按照GJB 951-90《貴金屬及其合金板、帶材拉伸試驗方法》制備，而金相分析用試樣則按10 mm×10 mm制備，以上試樣均按不同厚度制備了等同數量。先進(jìn)行了熱處理試驗，隨后分別是拉伸試驗和金相分析。其中熱處理采用小型高溫氫氣爐，要求升溫速率不大于10 ℃/min，試樣最終隨爐冷卻。

　　1.1、熱處理試驗

　　為了研究熱處理溫度和保溫時(shí)間這兩個(gè)參數對鉬材料的力學(xué)性能的影響，需要對其分別試驗。鉬的再結晶溫度為900 ℃，為了解更寬泛熱處理溫度下鉬的晶粒以及力學(xué)性能變化情況，試驗設計熱處理溫度從800～1 500 ℃內共取了9個(gè)溫度點(diǎn)，而保溫時(shí)間分別設置了60 min、120 min 和180 min三種。每爐對應0.4 mm和0.5 mm厚拉伸試樣各三片，以及0.4 mm和0.5 mm厚金相分析試樣各一片。

　　1.2、拉伸試驗及金相分析

　　經(jīng)過(guò)熱處理的試樣分別進(jìn)行了拉伸試驗和金相分析。拉伸試驗是在普通拉伸試驗機上實(shí)施的，每個(gè)熱處理溫度和保溫時(shí)間下三片試樣取平均值。通過(guò)拉伸試驗獲取經(jīng)過(guò)熱處理鉬片的力學(xué)性能參數，主要有拉伸強度和延伸率。金相分析則是做了0.4 mm厚試樣的側面和0.5 mm厚試樣的正面。

2、結果與分析

　　2.1、力學(xué)性能

　　將拉伸試驗數據統計列表，其中拉伸強度和延伸率數據是三個(gè)在同一熱處理溫度和保溫時(shí)間下試樣的平均值。根據統計的數據繪制了拉伸強度、延伸率與熱處理溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示。(a)為0.4 mm鉬試樣數據，(b)為0.5 mm鉬試樣數據，圖中(a)、(b)試樣的試驗結果是一致的。發(fā)現以t5溫度點(diǎn)為界分為兩個(gè)區域，即陰影區和非陰影區。在陰影區域內拉伸強度隨著(zhù)熱處理溫度的升高急劇下降，從最高644 MPa下降到409 MPa，而延伸率顯著(zhù)提高，從最低14%提高至34%。在此區域內，60 min與120 min的保溫時(shí)間對拉伸強度的影響區別不大，只有180 min的保溫時(shí)間顯著(zhù)降低了拉伸強度。綜合圖1中的(a)和(b)圖，發(fā)現保溫時(shí)間越長(cháng)，則延伸率越大。而過(guò)了t5溫度點(diǎn)之后，即非陰影區域內，拉伸強度和延伸率的變化趨于平穩，拉伸強度平均在430 MPa，延伸率平均為31%。通過(guò)對比發(fā)現在t7溫度點(diǎn)保溫時(shí)間為120 min時(shí)，有著(zhù)較高的拉伸強度和延伸率。

圖1 拉伸強度、延伸率與熱處理溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系圖

　　2.2、金相分析

　　金相分析采用了GB/T6394-2002標準評級，結果采用了放大500倍后的金相，如圖2所示，(a)為0.4 mm試樣金相，(b)為0.5 mm試樣金相，為了方便比較，在圖2(a)圖中最上方一行加入了原始態(tài)鉬材料的兩個(gè)正面和一個(gè)側面金相。原始態(tài)鉬試樣的側面金相顯示了內部的纖維狀細長(cháng)晶粒并相互搭接交錯，其正面金相則顯示了一些位錯以及少量的亞晶粒。從t1熱處理溫度點(diǎn)開(kāi)始相互搭接交錯的纖維狀細長(cháng)晶粒開(kāi)始轉變成等軸晶，保溫時(shí)間的增長(cháng)擴大了轉變程度，這個(gè)變化隨著(zhù)溫度的升高和保溫時(shí)間增長(cháng)而持續擴大。

　　結合圖2，在t5溫度點(diǎn)時(shí)之前的纖維狀細長(cháng)晶粒已完全再結晶轉變?yōu)椴⑸�長(cháng)為粗大的晶粒和少量細小晶粒。隨后較高的溫度點(diǎn)和保溫時(shí)間對晶�；�本無(wú)影響。真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為這與拉伸試驗的數據相符，即在t5溫度點(diǎn)之前隨著(zhù)溫度的升高，鉬材料的拉伸強度急劇降低和延伸率變大。這正是由于隨著(zhù)溫度的升高和保溫時(shí)間的加長(cháng)，發(fā)生了再結晶并逐漸生長(cháng)成粗大晶粒降低了材料強度但提高了塑性。而t5溫度點(diǎn)之后晶粒變化不大，即表現為拉伸強度和延伸率變化。

圖2 不同熱處理溫度和保溫時(shí)間下的鉬金相

3、討論

　　在工程應用中，材料塑性的提高往往伴隨著(zhù)強度的損失，塑性和強度二者的矛盾給應用帶來(lái)困難，因此需要根據應用需求和特點(diǎn)對力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。塑性是材料的一個(gè)重要力學(xué)性能指標，通常用材料拉伸試驗中的延伸率和斷口收縮率表示。塑性表示著(zhù)材料抵抗裂紋形成的能力，而韌性是材料抵抗裂紋生長(cháng)的能力。對鉬柵極進(jìn)行熱處理的目的就是為了消除加工應力保證其球面形狀，并且提高其力學(xué)性能以滿(mǎn)足抗沖擊和振動(dòng)要求。早期柵極的熱處理工藝處理之后，拉伸強度為440 MPa左右，與現行工藝基本相當，但其延伸率為10%左右，最低為4%。并且在一次力學(xué)試驗中出現柵極破裂的問(wèn)題，經(jīng)分析原因為柵極局部因打火脆化。如采用t7熱處理溫度和保溫120 min的熱處理工藝，鉬柵極材料延伸性平均為33%，相比之前熱處理工藝在保持拉伸強度相當的前提下塑性提高了2倍多，因此可以確信大幅提高了柵極的安全裕度和抗沖擊能力。

4、結論

　　通過(guò)試驗研究，掌握了熱處理工藝對鉬的力學(xué)性能和內部組織的影響變化規律，為選擇和優(yōu)化工藝參數提供依據：

　　(1)利用實(shí)驗數據繪制了熱處理后鉬材料力學(xué)性能變化曲線(xiàn)，通過(guò)金相分析可以直觀(guān)的了解每個(gè)處理工藝對內部晶粒組織結構的影響。

　　(2)采用t7熱處理溫度和120 min保溫時(shí)間可提高鉬柵延伸率至33%左右，提高了材料塑性以及柵極組件安全裕度。

　　(3)可以利用現有掌握的力學(xué)數據，通過(guò)模擬分析對柵極組件進(jìn)行優(yōu)化設計。