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，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，以及滿足客戶的需求。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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