金屬鉬柵極高溫定型處理技術研究

鄭茂繁，黃永杰，唐福俊，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

金屬鉬柵極高溫定型處理技術研究

鄭茂繁，黃永杰，唐福俊，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

柵極組件是離子推力器的關鍵組件，其功能是引出并加速離子束流形成推力。柵極形狀直接決定著柵極組件的性能和可靠穩定性。基于金屬鉬燒氫處理技術，對柵極形狀、定型溫度和保溫時間以及定型處理程序進行優化試驗研究，并確定金屬鉬柵極高溫定型處理的方法和技術參數。通過對30 cm直徑金屬鉬柵極的高溫燒氫定型處理，結果表明：金屬鉬柵極高溫燒氫定型處理程序和技術參數合理可行，定型處理的鉬柵極形狀輪廓度誤差控制在0.1 mm以內，并將柵極組件柵間距的誤差控制在0.1 mm以內，改善了柵極組件的性能和可靠性。

電推進；金屬鉬柵極；燒氫處理；高溫定型

0　引言

離子推力器是電推進的一種，其特點是推力小、比沖高、廣泛應用于空間推進任務，如航天器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等任務［1］。柵極組件（亦稱離子光學系統）是離子推力器的關鍵部件，其功能是引出并加速離子束流而形成推力。離子推力器的柵極組件有雙柵和三柵兩種結構，常用的為雙柵結構，由屏柵極和加速柵極組成，其材料一般為金屬鉬和鈦以及石墨、C/C復合材料和其他涂覆金屬材料等［2］，目前國內外采用最多的是金屬鉬材料。對于金屬鉬柵極組件來說，由于在離子推力器工作時，柵極溫度分布不均勻，通常是中心區域高，邊緣區域低，使柵極因熱應力而發生形變，為了使柵極熱形變的方向保持一致，將柵極設計為球面形。柵極的形狀不但保證柵極的熱形變，還影響柵極組件的柵間距。柵間距直接影響柵極組件的性能，進而影響離子推力器的性能。因此，柵極的形狀是影響柵極組件性能，乃至離子推力器性能的關鍵因素之一。

金屬鉬柵極在成形后，為了消除其應力，保證形狀，需要對柵極進行定型熱處理。目前金屬鉬熱處理的基本方法有兩種［3］：一種是真空退火爐處理；另一種是氫爐退火處理。金屬鉬在氫爐中經退火處理后，不但能有效消除應力，而且還能清潔鉬表面，是金屬鉬較為理想的熱處理方法。影響鉬柵極定型形狀的因素主要有熱處理溫度和保溫時間。因此文章針對金屬鉬的氫爐退火處理，研究金屬鉬柵極的高溫定型處理技術。

1　實驗及設備

實驗在L21161-20/2M大容積高溫氫氣爐進行，在爐膛上、中、下設有三個測溫點，溫度控制相差不超過20℃，而且升溫速率要求不大于10℃/min；柵極為Φ300開口直徑的金屬鉬柵極，球面輪廓度誤差不大于0.1 mm；柵極球面拱高、輪廓度誤差采用高度尺、塞尺和球面輪廓度專用檢測樣板。

1.1實驗方法

離子推力器金屬鉬柵極高溫定型處理的目的是消除其成形過程中產生的應力，保證其球面形狀。柵極高溫定型處理流程如圖1所示。

圖1　柵極高溫定型處理流程圖

為了保證定型的一致性，采用成套定型處理，即屏柵極和加速柵極對準后，成對裝入模具，加速柵極在下，屏柵極在上，柵極裝模圖如圖2所示。當柵極裝模完成后，將裝有柵極的模具裝入氫爐，在關閉氫爐前，拔出定位銷，關閉氫爐，準備處理。

圖2　柵極裝模圖

金屬鉬的變形抗力與變形溫度的關系由圖3所示［4］。在變形速率和變形程度一定的情況下，鉬的變形抗力隨著變形溫度的增加而降低。在變形溫度和變形程度一定的情況下，鉬的變形抗力隨著變形速率的增加而降低。變形抗力小，金屬鉬柵極的形狀回彈量就小，柵極輪廓度誤差就小。

根據圖3金屬鉬變形抗力與變形溫度的關系（變形程度為0.4；a的變形速率為20 s-1；b的變形速率為5 s-1；c的變形速率為1 s-1），柵極高溫定型處理實驗的定型溫度在900～1 500℃之間選取4點溫度進行實驗，保溫時間選取60 min和120 min兩種。根據氫氣爐的容積，氫氣流率選為0.5 m3/h。在每種溫度條件下，均溫時間約60 min，當溫度誤差在±20℃以內時，開始保溫。當定型處理結束后，隨爐溫降溫，直至爐溫為室溫時，取出柵極。每組試驗測量柵極輪廓度。通過優化試驗，選擇確定柵極高溫定型處理工藝的工作參數，使柵極輪廓滿足指標要求。

圖3　金屬鉬的變形抗力與變形溫度的關系圖

1.2柵極檢測

在柵極定型處理之前，對屏柵極和加速柵極的球面拱高采用高度尺分別進行檢測，要求球面拱高控制在h±2 mm以內。

柵極輪廓度采用專用檢測樣板和塞尺檢測，精度均為0.02 mm，檢測示意圖如圖4所示。將專用檢測樣板沿柵極零件的直徑方向輕放，樣板的平直段刀口與柵極邊緣的平面部分貼合，用塞尺測量球面段間隙的最大值。用同樣的方法在柵極零件6個均布直徑方向測量，6個方向的最大值即為柵極零件的球面輪廓度。屏柵極和加速柵極的檢測樣板不同，分別有不同的專業檢測樣板。

圖4　柵極輪廓度檢測示意圖

2　結果與討論

在保溫時間為60 min的條件下，定型處理溫度與屏柵極和加速柵極輪廓度的關系如圖5所示，圖中a、b、c、d為4個溫度點，并且對溫度進行了歸一化處理。

圖5　保溫60 min柵極輪廓度與定型溫度的關系

由圖5可知，柵極輪廓度隨定型溫度的升高而減小，并且屏柵極的輪廓度小于加速柵極的輪廓度，這主要是由于加速柵極與屏柵極相比，加速柵極不但比屏柵極厚，而且透明度也比屏柵極小的多（加速柵極透明度比屏柵極的小約2倍多），導致定型處理后，在室溫條件下，加速柵極的球面輪廓反彈比屏柵極的大。從圖5可以看出，從a點到b點溫度，柵極輪廓度變化較大，在c點、d點定型溫度下，發現柵極與模具，加速柵極與屏柵極間有粘連現象，在d點粘連較嚴重。在c點和d點溫度下與b點溫度下相比，柵極的輪廓度并沒有明顯的減小，而b點與a點溫度下相比，柵極輪廓度從0.15 mm以上減小到0.06 mm左右，這說明在b點溫度，金屬鉬柵極變形較好，此時柵極形狀的輪廓度在0.07 mm以下，滿足柵極輪廓度小于0.1 mm的需求。

當保溫時間改為120 min時，定型處理溫度與柵極輪廓度的關系如圖6所示。

從圖6看出，保溫120 min與60 min相比，其柵極輪廓度與溫度的關系趨勢基本相同，輪廓度都在b點溫度下，有個明顯的變化，并且都變小，只不過保溫時間較長，輪廓度也減小，但是在b點溫度及其以上溫度時，保溫時間的長短對柵極輪廓度的影響不大，輪廓度大都在0.05～0.07mm之間。

從實驗結果看出，定型處理溫度對金屬鉬柵極的球面輪廓度影響最大，隨著定型處理溫度的增大，柵極的輪廓度越好，也就是說，柵極的球面形狀回彈量也越小，柵極的形狀越接近設計形狀，這樣就保證了雙柵極間距的一致性。由圖5、圖6可知，與定型處理保溫時間對金屬鉬柵極的球面輪廓度影響較小，保溫時間為60 min和120 min時，柵極球面輪廓度基本一致，只是隨定型溫度的增大而減小。綜合金屬鉬柵極定型處理溫度和保溫時間對其球面形狀輪廓度的影響，金屬鉬柵極定型處理溫度選為圖5、圖6所示的b點溫度，保溫時間選為60 min較優。

對Φ300開口直徑的金屬鉬柵極進行高溫定型處理，其球面輪廓度保持在0.05～0.07 mm范圍之內，完全滿足柵極設計輪廓度小于0.1 mm的要求。

3　結論

通過30cm離子推力器金屬鉬柵極高溫定型處理技術的研究和實驗驗證，采用氫氣爐高溫定型處理的金屬鉬柵極，其形狀輪廓度對定型溫度較敏感，對保溫時間不敏感，最優定型溫度圖5、6所示的b點溫度，保溫時間為60min；在確定的定型溫度和保溫時間下，經過定型處理的金屬鉬柵極，其形狀輪廓度保持在0.05～0.07mm范圍之內。

［1］鄭茂繁，江豪成，張天平，等.離子推進器熱特性測試與分析［J］.真空與低溫，2011，17（2）：96-100.

［2］鄭茂繁，江豪成，等.離子推進器C/C復合材料柵極研究［J］.航天器環境工程，2010，27（6）：756-759.

［3］楊松濤，李繼文，魏世忠，等.純鉬及鉬合金板材軋制加工工藝概述［J］.中國鉬業，2010，34（2）：42-45.

［4］陳程，尹海清，曲選輝，等.鉬變形抗力的研究［J］.稀有金屬材料與工程中國鉬業，2007，36（7）：1237-1240.

HEAT TREATMENT RESAERCH OF MOLYBDENUM-GRID

ZHENG Mao-fan，HUANG Yong-jie，TANG Fu-jun，ZHANG Tian-ping
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

Grid system is the key assembly of ion thruster，whose main function is to extract and accelerate ion to generate thrust.However，grid's geometry is the dominating factor for performance and stability.This paper elaborates the study of grids shape related to heat treatment temperature，duration and operation procedure based on molybdenum heat treatment process under hydrogen circumstance，and finds out the proper molybdenum grid heat treatment method and technical parameters.The heat treatment results of 30 cm molybdenum grids show that the method and technical parameters are suitable for grid treatment，the grid profile deviation is under 0.1 mm，while gird gap tolerance is controlled within 0.1 mm which improves performance and reliability of grid assembly.

ion thruster；molybdenum grid；heat treatment under hydrogen circumstance；heat treatment

V439+.1

A

1006-7086（2015）06-0334-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.006

2015-08-27

鄭茂繁（1966-），男，甘肅省蘭州市人，高級工程師，從事電推進技術與工程化研究。E-mail：zhengmaofan@hotmail.com。