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如何通过盐雾腐蚀测试研究科学降低材料腐蚀速率?

发布于:2022-09-22
相关标签: Q-FOG盐雾腐蚀测试

摘要

在美国国家航空航天局(NASA)约翰·肯尼迪航天中心(KSC)为期一学期的实习的主要目的是研究腐蚀对地面支持设备(GSE)、发射支持结构和飞行硬件的影响,以帮助空间发射系统(SLS)和猎户座计划。众所周知,环境腐蚀是太空海岸上任何金属结构最大的材料退化问题之一,需要启动特殊的保护措施以适当减轻腐蚀。以下所有四个项目的共同主要目标是评估在多种环境中发生腐蚀的模式,以及减少这些腐蚀模式的方法,以提高这些环境与不同候选金属的机械、结构和化学兼容性,采用了多种测试方法来评估这些不同候选金属的腐蚀特性。

一.导言

本报告所列举的项目直接代表了作为NASA KSC的NIFS实习生在实习期间所完成的工作。本次实习期间完成的四个项目包括腐蚀技术实验室网站重新设计项目、海洋大气暴露和加速腐蚀测试之间的时间相关性项目、循环动电位极化(CPP)测试项目和不锈钢等离子体钝化测试(ss)项目。

二.目标、方法和研究结果

A. 腐蚀技术实验室网站重新设计项目

腐蚀技术实验室网站重新设计项目最初旨在提高网站界面的整体兼容性和用户友好性,包括开发某些网站设计功能的原型,如交互式历史时间表和KSC腐蚀试验场的交互式地图。一旦这些功能被创建出来,它们最终将有助于从整体上提升网站的用户体验。腐蚀技术实验室网站的当前版本提供了大量关于不同材料(金属及其合金)在沿海海洋环境的高盐含量以及酸性火箭废气(由氧化铝和盐酸组成)影响下的腐蚀分析的有用信息。虽然本网站包含极有价值的信息,但不一定包含最新的信息。这种急需改进的迹象强烈地推动了新的web界面的开发。

该项目通过向那些有兴趣获得这些数据供自己使用的人介绍准确和最新的腐蚀数据,与美国宇航局KSC NE-L4组织的目标相一致。例如,DoD(国防部)是NASA KSC大气腐蚀试验场的重要客户,并利用所得数据来帮助他们自己在该领域的应用。这个项目的一个成果是让我(作为实习生)尽可能多地了解与KSC以及世界其他地方的腐蚀相关的实验和数据分析。这个网站重新设计项目的另一个成果是使公众观众、潜在客户和NASA雇员能够以一种可展示的方式访问这个网站上包含的数据和信息,使用户能够相对容易地浏览这个网站。

B.海洋大气暴露和加速腐蚀测试项目之间的时间尺度关联性

美国宇航局KSC实验室进行的大部分腐蚀测试是针对将长期暴露在高盐环境中的材料。受大量氯化钠影响的NASA KSC机构包括发射支持结构、GSE、飞行硬件和军用车辆部件。因为这些实体不断受到恶劣海洋环境的影响,他们需要先进的实验来确保候选材料准备好保护我们太空海岸以及美国其他地方的基础设施。因此,高级试验必须以系统的方式进行,与客户和/或NASA的目标和总体范围相一致。该试验包括在海滨大气腐蚀试验场进行严格的长期暴露,根据客户和/或NASA的目标,可持续1.5年、3年、5年或10年。虽然这种长期的实时曝光是获取精确数据的一种极好的方法,但是它不允许加速过程的可能性。由美国宇航局KSC腐蚀小组开发的一种方法,将允许催化过程,包括加速腐蚀试验方法。这些加速腐蚀试验方法包括使用图1所示的Q-FOG CCT-1100自动循环腐蚀盐雾箱以及图2所示的ASST(交变海水喷雾试验)装置。

图1所示的Q-FOG CCT-1100自动循环腐蚀盐雾箱以及图2所示的ASST(交变海水喷雾试验)装置

为了数据质量的目的,已经进行了以前的研究来比较这两种测试方法(长期和加速)。根据多项研究中的一项,海滨大气腐蚀试验场用于测试长期和加速试验方法。长期方法由1010个钢(UNS 10100)面板组成,这些面板朝向大西洋倾斜30 °,位于离高潮线100英尺处。加速方法由1010个钢(UNS 10100)面板组成,这些面板相对于海水喷淋系统倾斜30 °,以及根据ASTM B117标准暴露于5%氯化钠的中性盐雾室。开发ASST的目的是通过使用直接从大西洋抽取的盐水进行加速测试。

该项目通过提供利用长期暴露测试方法与加速测试方法之间的差异的准确表示,与NE-L4组织的目标保持一致。通过实施加速试验方法,腐蚀工程团队尤其能够正确评估每种试验方法的性能,以便在以后以更快的速度对某些候选材料进行试验。另一项分析1010个钢长期和加速腐蚀相关性的类似研究表明,加速试验方法的腐蚀速率(0.71mm/y)大于长期暴露方法(0.55mm/y)。这项研究的预期结果包括获得更多最新数据,在确定更快速的测试方法方面取得更大进展,以及满足客户的需求。通过表明只有加速腐蚀试验才是未来材料腐蚀分析的可能选择,这些将有助于总体努力的进步和成功。该项目的当前状态被认为是持续的,可能会持续相当长一段时间。

该项目的发现包括数据采集,如质量损失和表面粗糙度。使用OHAUS Pioneer@Plus精密天平测量每个校准板的质量损失,精确到1克的百分之一,同时使用Keyence VHX-5000数字显微镜测量表面粗糙度。在最终质量评估之前,还对面板进行了后处理,以减少现场测试后可能残留在面板表面的任何残余碎片,测试方法包括使用TRINCO™柜和集尘器。喷砂室的碳化钨(WC)喷嘴能够以极高的速度喷射碳化硅(SiC)颗粒,确保从面板上清除99.9%的松散碎片。例如,在ASST暴露97天后评估图3中的1018碳钢校准板,其中该板产生43.42g的总质量损失,这构成了从其初始质量349.88 g的质量减少12.41%。除了评估相应的1018碳钢校准板的质量损失之外,在使用喷砂方法之前测量样品的表面粗糙度。当使用Keyence VHX-5000数字显微镜时,确定在图4中显示的指定区域内的面板表面上出现了大约2200 μm的最大偏差。对图5中的1018碳钢校准板执行相同的程序,该校准板在暴露于大气119天后进行评估,其中该板产生28.10 g的总质量损失,这构成了从其349.75 g的初始质量的8.03%的质量减少。表面粗糙度测量以与前述ASST板相同的方式完成,该ASST板产生600 m的最大偏差 在两种不同测试方法(ASST和大气暴露)下的两个面板中,结果显示,与大气暴露相比,ASST的腐蚀能力更强,即使暴露持续时间更短。 两块板之间表面粗糙度的差异表明,长期暴露于大气中会产生更均匀的腐蚀表面形貌,而加速暴露会产生更粗糙、更不均匀的表面形貌。

图3为1018经过97天的ASST暴后的碳钢校准板,图4为图3中相应校准面板的三维形貌扫描和粗糙度图

除了长期大气暴露测试之外,还进行了上述加速测试。在长期大气暴露测试期间,1018碳钢校准板没有受到任何种类的加速因子的影响,就像那些受到ASST或Q-FOG CCT-1100自动循环腐蚀盐雾箱影响的板一样。相反,这些面板暴露在自然发生的环境影响中,如雨水、风、紫外线辐射和实时氯化物浓度。经受住长期试验的试验板位于NASA KSC基地的多个地点,包括LETF、VAB的多普勒基地、LC-39B和海滨大气腐蚀试验基地。在除VAB之外的所有现场位置,实验测试架上的一组面板被有目的地覆盖上金属覆盖层,以比较受保护面板与未受保护面板对紫外线辐射评估的屏蔽效果。所有现场位置都配备了氯化物浓度收集蜡烛芯,如图7所示,其主要功能是收集周围大气中的氯化物,以供以后进行化学评估,ISO-9225:金属和合金的腐蚀-大气腐蚀性-污染测量中对此进行了详细说明。该化学评估包括一个称为滴定的过程,通过该过程,负责的实验室人员试图根据SW-846试验方法9212:用离子选择性电极对水样中的氯化物进行电位测定所指示的另一种溶液的浓度来确定氯化物的浓度。

图5为1018暴露在大气中119天后的碳钢校准板,图6为图5中相应校准面板的三维形貌扫描和粗糙度

自从1966年实验测试诞生以来,美国宇航局KSC已经评估了数百个面板,并计划在未来许多年继续这项正在进行的研究。

C.循环电位极化(CPP)测试项目

猎户座乘员舱(CM)的目标最终将是在2030年发射到火星的SLS火箭上运送宇航员。舱内活动(IVA)服装目前正在组装、修改和测试,以确保宇航员在不迟于(NLT) 2021年进行的探索任务2 (EM-2)期间的安全。在猎户座乘员生存系统(OCSS)和环境控制与生命保障系统(ECLSS)的冷却回路中,两种不同金属与猎户座选择的生物杀灭剂溶液之间的材料兼容性正在进行测试。CPP(循环动电位极化)测试应该让参与该项目的人员了解如何改进该系统,并最终使其对未来的Orion机组成员安全。候选金属合金将作为试验阶段的试样。

图7为氯化物浓度收集烛芯位于航天飞机着陆设施(SLF)附近的Ascent风向分析器站点;图8为SCE校准设置

实验装置包括饱和甘汞电极(SCE)、杀菌剂溶液、腐蚀电池室、恒电位仪和油漆电池。在进行任何CPP实验之前,有必要成功校准每个可用的SCE,以确保参考电极在±7.0 mV的设定公差内,如图8所示。

本研究尚未进行实验,因为实验将在本报告提交后进行。 这个CPP测试项目是NASA JSC和NASA KSC的一个联合项目,最终将为未来的材料选择提供重要数据。为未来的材料选择提供重要的数据。

图9为等离子体室的前视图;图10为等离子体室内部结构的等轴视图

D.不锈钢(SS)的等离子体钝化测试项目

由于腐蚀总是需要监测和控制,美国航天局KSC应用化学实验室开发了一种可能的方法来处理GSE和发射支撑结构周围环境中使用的不同类型的不锈钢。本项目的目的是评估气态等离子体对304不锈钢、316不锈钢、440不锈钢和286不锈钢的总体影响,并分析样品的物理属性,如外观、表面粗糙度和暴露在等离子体室内后可能的台阶高度。

图11为440SS样品一半用Kapton胶带屏蔽,另一半未用胶带

该设置包括使用具有压力、工艺气体(氢气、氧气、氩气等)能力的等离子体室(如图9和图10所示)功率和曝光时间修改。如图11所示,每个样本的一半用Kapton胶带粘贴,而另一半未粘贴。该粘贴程序旨在评估每个样本的粘贴一半与完全暴露的一半的保护性能(如有)。到目前为止,已经在等离子体室中完成了三个实验。在其中一个实验中,每种不锈钢的两个样品暴露了四个小时。该特定测试的参数包括0.1毫巴的室压和一分钟的初始气体供应持续时间。在每组实验之后,将最近测试的实验样品与仅暴露在实验室环境中大约一周的样品进行比较,以进行总体外观评估(即,暴露一周后有明显腐蚀特性的迹象)。在最初的两次测试后,决定采用一种水破坏测试,该测试涉及样本的清洁,以确保在等离子体室中测试前样本上没有污染物或碎片。这包括使用超纯水净化系统和Liquinox肥皂清洗和冲洗样品。

图12为Keyence VK-X200激光显微镜;图13为从VK分析仪软件获得的400倍放大的粗糙度测量值

在测试和一周评估后,在配备有VK观察器和VK分析仪软件的Keyence VK-X200激光显微镜(如图12所示)上分析样品,目的是获得表面粗糙度和在有胶带/无胶带界面处步长的可能增大/减小。如图13所示,在该装置上的激光显微镜显示界面没有突然变化。