航天器结构用不同材质的侧面销钉和螺母组件的耐蚀性能研究

韩修柱，霍秀兵，周志勇，常磊，王谦，王旭东

航天器结构用不同材质的侧面销钉和螺母组件的耐蚀性能研究

韩修柱1，霍秀兵2，周志勇1，常磊2，王谦3，王旭东4

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；3.航天东方红卫星有限公司，北京 100094；4.北京科技大学，北京 100083）

针对航天器结构用不同材质的侧面销钉和螺母组件在实际的使用工况下极易出现腐蚀与咬死的问题，对不同材质的侧面销钉和螺母组件的耐蚀性能进行研究。分别在高量级腐蚀条件和低量级腐蚀条件下，采用重复拧紧试验方法，对侧面销钉和螺母开展耐腐蚀性能、防咬死性能研究。在高量级腐蚀条件下，无表面处理的30CrMnSiA侧面销钉+TC4螺母组件在经历12 h腐蚀试验后，其表面发生了100%的腐蚀；经历过重复拧紧试验的30CrMnSiA（表面镀镍）侧面销钉+TC4螺母组件，在经历12 h腐蚀试验后，其表面腐蚀面积＞50%；未经历重复拧紧试验的30CrMnSiA（表面镀镍）侧面销钉+TC4螺母组件，在经历12 h腐蚀试验后，其腐蚀面积约为25%～50%。在低量级腐蚀条件下，经历重复拧紧试验和未经历重复拧紧试验的30CrMnSiA（表面镀镍）侧面销钉+TC4螺母组件均未发生表面腐蚀，而30CrMnSiA（无镀镍）侧面销钉+TC4螺母组件的腐蚀面积为25%～50%。镀镍处理可以显著提高30CrMnSiA侧面销钉的耐腐蚀性能。经过镀镍表面处理的30CrMnSiA侧面销钉比经过表面钝化处理的1Cr17Ni2侧面销钉具有更好的耐蚀性能、防咬死性能和环境适应性。重复拧紧虽然对镀镍侧面销钉的耐腐蚀性能有影响，但重复拧紧后的侧面销钉和螺母组件的耐蚀性能仍优于无镀镍处理的侧面销钉和螺母组件。30CrMnSiA镀镍侧面销钉+ TC4螺母的组件通过了低量级实际工况的盐雾试验考核。

销钉；螺母；防咬死；耐腐蚀

随着航天器结构从传统的铆接结构逐渐过渡为螺接、焊接等结构，非标螺钉、螺母越来越广泛地应用于局部结构的连接[1-5]。航天器结构承载较大的位置更倾向于使用大规格的非标螺接结构。目前，我国载人航天领域的某飞船主舱段采用非标螺接结构的局部位置数量约为14处/舱，而且约70%的该类位置为舱段结构的关键连接位置。这些关键连接位置不仅影响结构的承载安全性和可靠性，对整个飞行任务的成败也至关重要[6-8]。

非标螺接结构一般采用棒材或板材进行机械加工制备，与典型标准紧固件的制备工艺、微观组织和性能存在明显的差异，对外界环境和承载等的敏感性更高，在同样的承载条件和环境（如温度、接触介质等）下，非标螺接结构更易在众多因素耦合的情况下出现破坏失效和表面腐蚀[9-11]。因此，螺接结构对应材质的选择较为重要，这是保证螺接结构能够安全可靠工作、服役的首要条件[12]。在众多的航天器结构设计和非标螺接结构工程应用中，螺接结构在重复拧紧、地面转运和生产等工况下产生的局部变形、卡滞、咬死、腐蚀等问题一直是困扰结构设计和工程应用的重要工程问题。因此，航天器典型结构的非标螺接结构的设计、选材、性能研究（耐腐蚀性能、耐空间环境性能）等至关重要[13-15]。

文中以某航天器局部结构所用的“侧面销钉和螺母”典型非标螺接结构为研究载体，对侧面销钉和螺母开展防咬死性能、耐蚀性能的研究，揭示非标螺接结构在地面模拟试验条件下的防咬死性能和耐蚀性能演变规律，为后续航天器局部非标螺接结构的设计、选材提供支撑。

1 试验

1.1 材料

文中研究的侧面销钉和螺母组件对应的状态（材质和表面处理状态）主要有4种：（1）侧面销钉的材质和表面处理状态为不锈钢1Cr17Ni2+表面钝化，螺母的材质和表面处理状态为钛合金TC4+无表面处理；（2）侧面销钉的材质和表面处理状态为不锈钢1Cr17Ni2+无表面处理，螺母的材质和表面处理状态为钛合金TC4+无表面处理；（3）侧面销钉的材质和表面处理状态为30CrMnSiA+无表面处理，螺母的材质和表面处理状态为钛合金TC4+无表面处理；（4）侧面销钉的材质和表面处理状态为30CrMnSiA+表面镀镍处理，螺母的材质和表面处理状态为钛合金TC4+无表面处理。侧面销钉和螺母结构的示意图如图1所示。侧面销钉的表面钝化工艺如下：在标准的硝酸溶液中放置5～10 min，取出后清洗干燥。侧面销钉的镀镍处理工艺如下：在温度为30～60 ℃的镍槽中持续镀覆4 h，取出后放入烘箱，在60～90 ℃温度下烘烤3 h。

图1 侧面销钉和螺母结构示意图（mm）

1.2 方法

文中试验内容分为2个部分：防咬死性能测试试验和耐蚀性能测试试验。防咬死性能测试试验根据螺纹结构连接形式主要采用重复拧紧试验方式。结合侧面销钉和螺母组件在舱体中的实际连接状态，将侧面销钉在固定力矩下重复多次拧入螺母中，观察侧面销钉的螺纹外观形状演化和质量变化情况，重复拧紧试验示意图如图2所示，试验施加的力矩为40 N·m，重复拧紧次数>20。

耐蚀性能测试试验条件分为高量级试验条件和低量级试验条件。高量级试验条件下的耐蚀性能测试试验方法和要求按照QJ2027《金属镀覆层耐盐雾试验方法》中的规定进行，采用盐雾试验设备交替进行喷雾+干燥试验，喷雾和干燥的时间均为24 h，共进行2个循环，盐雾试验总时间为96 h，盐雾试验设备如图3所示。低量级试验条件下的耐蚀性测试方法和试验条件均根据空间站产品环境及试验规范开展。

图2 侧面销钉和螺母重复拧紧试验示意图（mm）

图3 CCT–600型Q–Fog循环盐雾腐蚀试验设备

1.3 试验内容

重复拧紧试验共分为2组，每组均采用2副试验件：第1组侧面销钉采用的材质为不锈钢1Cr17Ni2，表面采用钝化处理，螺母采用的材质为钛合金TC4，无表面处理；第2组侧面销钉采用的材质为30CrMnSiA，表面采用镀镍处理，螺母采用的材质为钛合金，无表面处理。

重复拧紧试验采用数显力矩扳手，将单副螺纹螺母重复拧紧退出20次，拧紧力矩为40 N·m。在进行重复拧紧试验时，通过在重复拧紧装置下方放置白纸收集侧面销钉和螺母间脱落/掉落的多余物，对每次退出时的多余物进行观测，试验结束后查看内外螺纹是否完整，表面镀覆层是否有损伤，是否发生了卡滞、卡死及咬死等情况。

耐蚀性能试验共分为3组，每组均采用2副试验件：第1组侧面销钉采用的材质为30CrMnSiA，无表面处理，螺母采用的材质为钛合金TC4，无表面处理；第2组侧面销钉采用的材质为30CrMnSiA，表面采用镀镍处理，螺母采用的材质为钛合金TC4，无表面处理，该组的侧面销钉和螺母均未经历过重复拧紧试验；第3组侧面销钉采用的材质为30CrMnSiA，表面采用镀镍处理，螺母采用的材质为钛合金TC4，无表面处理，该组的侧面销钉和螺母均经历过重复拧紧试验。参照《金属镀覆层耐盐雾试验方法》，对侧面销钉和螺母组件开展局部结构级盐雾试验，测试其耐蚀性能，每12 h检查样品的腐蚀情况，按照GB/T 6461—2002记录样品的腐蚀面积。

为了初步判定不锈钢、合金钢及钛合金材料本身的耐蚀性能，在开始进行重复拧紧试验和耐蚀性能试验前，对不锈钢、合金钢及钛合金材料的试片（每种材质的试片3件）进行高量级试验条件下的盐雾试验。以不锈钢、合金钢及钛合金材料试片级的盐雾结果作为参考，初步判定3种材料的耐腐蚀性能，同时将该结果作为后续低量级试验条件下盐雾试验进一步开展的依据。材料级试片规格如图4所示，试片厚度为2 mm。文中的主要试验流程如图5所示。

图4 材料耐蚀性能试片示意图

2 结果与分析

2.1 高量级腐蚀条件下侧面销钉和螺母的材料级耐蚀性能研究

图6和图7分别显示了侧面销钉和螺母材料试片在盐雾试验前后的表面状态。3件未钝化的侧面销钉试片表面均未发生腐蚀，腐蚀面积为0；3件钝化的侧面销钉的受试面均发生腐蚀，保护评级为3级；3件螺母试片的表面也未发生腐蚀，腐蚀面积为0。对于拥有更高强度的1Cr17Ni2合金，钝化后的表面相对于未钝化的表面更易发生表面腐蚀，而TC4钛合金在经过长时间的盐雾试验后表面未发生腐蚀。

图5 试验流程

2.2 不同材质的侧面销钉与螺母防咬死性能研究

侧面销钉和螺母重复拧紧试验结果如下：（1）当使用不锈钢1Cr17Ni2+表面钝化的侧面销钉以及钛合金TC4态的螺母进行试验时，发生了销钉外螺纹损伤、大螺母内螺纹无损伤的试验现象，侧面销钉与螺母之间未发生咬死，但侧面销钉外螺纹不能顺利拧入螺母内螺纹中，无肉眼可见多余物；（2）当使用30CrMnSiA+表面镀镍处理的侧面销钉和钛合金TC4态的螺母进行试验时，内外螺纹均无损伤，侧面销钉与螺母之间未发生咬死，侧面销钉能够顺利拧入螺母中，无肉眼可见多余物。

图6 1Cr17Ni2合金侧面销钉表面钝化与未钝化盐雾试验前后的表面状态

图7 TC4合金螺母盐雾试验前后的表面状态

试验结果表明，强度更高的不锈钢1Cr17Ni2经过表面钝化处理，与钛合金螺母重复拧紧后虽未发生咬死，但外螺纹有损伤，试验后螺纹副存在卡滞问题，不能顺利拧合。而30CrMnSiA经过表面镀镍处理，与钛合金螺母重复拧紧后，无螺纹损伤、咬死、卡滞、镀层脱落等情况出现，内外螺纹均无损伤且试验后能顺利拧合。因此，对于均进行了相应表面处理的1Cr17Ni2（表面钝化）和30CrMnSiA（表面镀镍）2种材料制备的侧面销钉，后者能够满足实际工况的拧紧需求，而不会出现咬死、卡滞等问题。

2.3 高量级腐蚀条件下侧面销钉与螺母结构的耐蚀性能研究

根据上述研究结果，下面主要针对30CrMnSiA合金的侧面销钉和钛合金螺母组件开展耐蚀性能研究，试验结果如图8所示。侧面销钉和螺母的腐蚀情况如下：（1）30CrMnSiA+无表面处理的侧面销钉和钛合金螺母在经历12 h的盐雾试验后，侧面销钉表面的腐蚀面积已到达约100%；（2）在侧面销钉和螺母未经历重复拧紧试验的前提下，30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金螺母在经历12 h的盐雾试验后，侧面销钉表面的腐蚀面积约25%～50%，经历72 h的盐雾试验后，侧面销钉表面的腐蚀面积约25%～50%；（3）在侧面销钉和螺母经历了重复拧紧试验的前提下，30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金螺母经历了12 h的盐雾试验后，侧面销钉表面的腐蚀面积>50%。

从上述结果可以看出，未经过表面处理的30CrMnSiA合金的侧面销钉（第1组）表面在12 h后发生锈蚀，且锈蚀面积达100%；未经历重复拧紧试验、表面镀镍处理的侧面销钉（第2组）同第1组相比，在锈蚀时间相同的前提下，锈蚀面积大幅度减少；经历过重复拧紧试验、表面镀镍处理的侧面销钉（第3组）同第2组相比，锈蚀面积增加，在重复拧紧过程中表面镍镀层发生了破坏，从而导致腐蚀速度增加，腐蚀面积增大。因此，在实际侧面销钉和螺母的应用中，应尽量减少侧面销钉和螺母的拧紧次数，并及时关注侧面销钉镀层表面的脱落与破坏情况。

2.4 低量级腐蚀条件下侧面销钉和螺母结构的耐蚀性能研究

根据上述试验结果并结合空间结构环境，对30CrMnSiA侧面销钉（无表面处理、镀镍+未经历拧紧试验的、镀镍+经历了拧紧试验的）和钛合金螺母组件进行低量级试验条件下的耐蚀性能研究。试验结果如图9所示，结果表明，无论是否经历过重复拧紧试验，表面镀镍的侧面销钉表面均未发生腐蚀，表面保护评级为10级，即腐蚀面积0%。无镀镍处理的侧面销钉试验件在低量级试验条件下均发生了表面腐蚀现象，腐蚀面积为25%～50%。综上，30CrMnSiA+表面镀镍和钛合金螺母组件满足产品在低量级试验条件下的耐蚀性要求。

a 无表面处理，试验前；b 无表面处理，试验后；c 镀镍+未经历重复拧紧试验，试验前；d 镀镍+未经历重复拧紧试验，试验后；e 镀镍+经历重复拧紧试验，试验前；f 镀镍+经历重复拧紧试验，试验后。

2.5 30CrMnSiA侧面销钉和TC4螺母结构的防咬死性能研究

为了研究低量级试验条件下盐雾试验对侧面销钉和螺母防咬死性能的影响，在30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金TC4的螺母完成低量级试验条件下的盐雾试验后，对组件再次进行了重复拧紧试验。试验结果如图10所示。30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金TC4的螺母组件在第2次重复拧紧试验过程中未发生咬死、卡滞、卡死等情况，内外螺纹均能顺利拧入拧出，无镀层脱落出现。重复拧紧试验结果表明，低量级试验条件下的盐雾试验对30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金TC4的螺母组件的防咬死性能无影响。

3 结论

1）30CrMnSiA+表面镀镍处理的侧面销钉和钛合金TC4螺母组件与1Cr17Ni2+表面钝化的侧面和钛合金TC4螺母组件相比，具有更好的耐蚀性能和防咬死性能。无表面处理的钛合金TC4螺母在高、低量级的试验条件下，表面均未发生腐蚀，在重复拧紧试验过程中，螺母的内螺纹也未发生失效或破坏。钛合金TC4螺母具有良好的耐腐蚀、防咬死性能。

2）对30CrMnSiA的侧面销钉进行表面镀镍处理可以显著提高其耐腐蚀性能。重复拧紧对表面镀镍的30CrMnSiA的侧面销钉的耐蚀性能具有较为明显的影响，经历高量级试验条件下的盐雾试验后，重复拧紧后的、表面镀镍的30CrMnSiA的侧面销钉的表面腐蚀明显。

3）重复拧紧试验前后的30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金TC4螺母组件均通过了低量级实际工况的盐雾试验考核；而无表面处理的30CrMnSiA侧面销钉未通过相关的盐雾试验考核。低量级试验条件下的盐雾试验对30CrMnSiA+表面镀镍的侧面销钉和钛合金TC4螺母组件的防咬死性能无影响。

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Corrosion-resistance of Side Screw and Nut Assembly in Spacecraft Structure of Different Materials

HAN Xiu-zhu1, HUO Xiu-bing2, ZHOU Zhi-yong1, CHANG Lei2, WANG Qian3, WANG Xu-dong4

(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China; 2. Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China; 3. DFH Satellite Co., Ltd., Beijing 100094, China; 4. Beijing University of Science and Technology, Beijing 100083, China)

The work aims to study the corrosion-resistance of side screw and nut assembly in spacecraft structure of different materials to solve the problem that the side screw and nut assembly in the spacecraft is prone to mutual bite and surface corrosion in the actual working conditions. Under high-level corrosion conditions and low-level corrosion conditions, the repeated tightening test was conducted to study the thread anti-bite performance and corrosion-resistance of side screws and nuts. Under the high-level corrosion conditions, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly without surface treatment was about 100% after 12 h of corrosion test. While, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating without and with repeated tightening were 25%～50% and >50%, respectively. Under the low-level corrosion conditions, the surface corrosion did not occur to 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating with and without repeated tightening. Nevertheless, the corrosion area of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly without nickel plating were 25%～50%. The corrosion-resistance of 30CrMnSiA side screw could be improved by nickel plating. The 30CrMnSiA side screw with nickel plating has better corrosion-resistance, thread anti-bite performance and environmental adaptability compared with that of the 1Cr17Ni2 with passivated surface. Although repeated tightening has an impact on the corrosion-resistance of the side screw with nickel plating, the side screw and nut assembly after repeated tightening still has better corrosion-resistance than the side screw and nut assembly without nickel plating. At last, the corrosion-resistance of the 30CrMnSiA side screw and TC4 nut assembly with nickel plating passes the salt spray test assessment under the low-level corrosion conditions of the spacecraft.

screw; nut; thread anti-bite performance; corrosion-resistance

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.07.020

TG30

A

1674-6457(2022)07-0143-07

2021–08–01

中国空间技术研究院“杰青”人才项目

韩修柱（1985—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为航天器结构设计、镁合金及铝合金等轻质材料的工程化应用。

责任编辑：蒋红晨