本發(fā)明涉及一種航天器用金屬件表面的熱控處理方法。該方法制備出的涂層光滑、致密，不僅能夠同時滿足熱控、防冷焊及機械強度等性能要求，而且處理工藝簡單，自動化程度高，工藝可控性好，重復(fù)性高，又因為沒有廢液所以健康、環(huán)保。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星及其他航天器在空間環(huán)境中須承受冷熱交變、空間輻照等惡劣空間環(huán)境的考驗而長壽命、高可靠地在軌運行，因此對表面往往有較高要求，主要涉及熱控、防冷焊及機械強度等性能。
目前航天器金屬部件（主要為鋁合金材料）的表面處理較多采用化學鍍或噴漆等工藝方法。這些工藝不僅流程復(fù)雜、工藝周期長、質(zhì)量可控性差、有害操作人員健康，而且化學表面處理產(chǎn)生的廢液會帶來環(huán)境污染，造成企業(yè)環(huán)保成本的上升。關(guān)鍵是，通過化學方法形成的材料表面膜層往往機械性能差、膜層材料單一、膜層與基體的結(jié)合強度弱，從而很難滿足既有表面熱控要求，又有表面特定機械性能要求的航天器金屬部件（如星箭連接環(huán)、空間對接機構(gòu)、運動機構(gòu)等）的表面處理技術(shù)要求。
離子注入與沉積技術(shù)是在真空環(huán)境下通過氣體或金屬等離子體發(fā)生器產(chǎn)生高密度等離子體，并在待處理金屬零件上施加一個負高壓脈沖，從而在等離子體源與零件之間產(chǎn)生強電場，等離子體在強電場作用下加速沖擊零件表面，根據(jù)離子能量的大小實現(xiàn)材料表面的離子注入或薄膜沉積。通過采用單一離子或多種離子復(fù)合可實現(xiàn)金屬、金屬基化合物、陶瓷、梯度結(jié)構(gòu)膜等功能膜層的涂鍍，并能實現(xiàn)涂層的精度和性能可控、工藝參數(shù)可調(diào)。但是，國內(nèi)外尚無采用離子注入與沉積技術(shù)進行材料表面定向熱控功能改性的相關(guān)研究報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有表面處理技術(shù)所制備出的熱控涂層無法滿足新一代高精度、長壽命航天器的熱控指標要求并且質(zhì)量可控性差、返修率高等一系列問題，從而提供的一種基于高功率脈沖磁控濺射離子注入與沉積制備航天器金屬件表面熱控涂層的方法。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：采用基于高功率脈沖磁控濺射的離子注入與沉積設(shè)備，通過O2的引入與孿生Al靶的濺射在金屬件近表面形成一層Al離子注入層和表面形成一層Al2O3沉積層，從而能夠同時滿足航天器用金屬件表面關(guān)于熱控，主要是低吸收比、高發(fā)射率，防冷焊及結(jié)合力方面的要求。所使用的高功率脈沖磁控濺射離子注入與沉積設(shè)備包括真空抽氣系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、濺射清洗系統(tǒng)、高功率脈沖濺射、偏壓電源系統(tǒng)、高壓電源系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成。真空抽氣系統(tǒng)主要用于獲得所需要的工作真空，進氣系統(tǒng)主要用于在真空室內(nèi)獲得所需要的混合氣體，濺射清洗系統(tǒng)主要用于零件表面進行射頻濺射清洗，偏壓電源系統(tǒng)主要用于薄膜沉積時給工件提供脈沖負偏壓，以吸引離子。高壓電源系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)工件表面離子的注入，以達到提高薄膜厚度等功能。
具體實現(xiàn)步驟如下：一種航天器用金屬件表面的熱控處理方法，包含以下步驟：
步驟1）樣件準備：將待處理金屬件打磨拋光后，置于真空室內(nèi)的樣品臺上，將樣品臺的高度調(diào)節(jié)至孿生靶垂直線相交的位置，金屬件接高壓脈沖電源的高壓脈沖輸出端；
步驟2）抽真空：首先打開機械泵和旁抽閥，當真空度抽至9-11Pa，打開閘板閥及分子泵，關(guān)閉旁抽閥，提高抽氣速率進入高真空；真空度達到3×10-3Pa以下時，開始通入高純度的Ar2和O2；
步驟3）濺射清洗：首先打開射頻電源，控制功率在150～400W，以在真空室內(nèi)形成射頻氣體等離子體，同時打開偏壓電源，以實現(xiàn)零件表面的離子濺射清洗，去除表面的殘余氧化物等雜質(zhì)；
步驟4）離子注入：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與高壓脈沖電源，將離子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金屬件的近表面形成一層Al離子注入層，從而增強表面層的結(jié)合力；
步驟5）薄膜沉積：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與偏壓電源，在樣件表面進行Al2O3薄膜沉積。
進一步，所述步驟2）中的Ar2流量控制在20～80sccm，O2流量控制在5～50sccm之間。
進一步，所述步驟3）中偏壓電源的偏壓頻率為50～150 HZ，偏壓脈寬為5～40μs，偏壓幅值為4～10 kV，時間為90～200 min。
進一步，所述步驟4）中調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為100～300 Hz，高功率濺射脈寬為5～40 μs，高功率濺射延時為0～10μs，高功率濺射功率為400～800W；調(diào)節(jié)高壓脈沖為40～100 μs，高壓延時為5～50 μs，高壓幅值為10～50 kV，時間為300～500 min。
進一步，所述步驟5）中調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為1500～3000 Hz，高功率濺射脈寬為10～60 μs，高功率濺射延時為80～120μs，高功率濺射功率為300～600W；調(diào)節(jié)偏壓脈沖為20～70 μs，偏壓延時為5～30 μs，高壓幅值為80～150 V，時間為1000～1600 min。
本發(fā)明采用基于高功率脈沖磁控濺射的離子注入與沉積方法進行航天器用金屬件表面的熱控處理，制備出的涂層能夠同時滿足熱控、防冷焊及機械強度等性能要求，并且本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備有益效果如下：
（1）制備的熱控涂層表面太陽吸收比≤0.2，半球發(fā)射率≥0.6，表面摩擦系數(shù)<0.2，膜基結(jié)合力>60N，能夠同時滿足熱控、防冷焊及機械強度等性能要求；
（2）處理工藝簡單，不需要傳統(tǒng)化學處理的酸洗、堿洗等復(fù)雜預(yù)處理，相比于傳統(tǒng)處理時間減半，效率提高；
（3）采用本發(fā)明進行熱控處理不僅高效，而且健康、環(huán)保，工藝可控性好，重復(fù)性高。
具體實施方法
一種航天器用金屬件表面的熱控處理方法，包含以下步驟：
（1）樣件準備：將待處理金屬件打磨拋光后，置于真空室內(nèi)的樣品臺上，將樣品臺的高度調(diào)節(jié)至孿生靶垂直線相交的位置，金屬件接高壓脈沖電源的高壓脈沖輸出端；
（2）抽真空：首先打開機械泵和旁抽閥，當真空度抽至10Pa左右，打開閘板閥及分子泵，關(guān)閉旁抽閥，提高抽氣速率進入高真空。真空度達到3×10-3Pa以下時，開始通入高純度的Ar2和O2，Ar2流量固定在20～80sccm，O2流量控制在5～50sccm之間；
（3）濺射清洗：首先打開射頻電源，控制功率在150～400W，以在真空室內(nèi)形成射頻氣體等離子體，同時打開偏壓電源，調(diào)節(jié)偏壓頻率為50～150 HZ，偏壓脈寬為5～40μs，偏壓幅值為4～10 kV，時間為90～200 min，實現(xiàn)零件表面的離子濺射清洗，去除表面的殘余氧化物等雜質(zhì)，；
（4）離子注入：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為100～300 Hz，高功率濺射脈寬為5～40 μs，高功率濺射延時為0～10μs，高功率濺射功率為400～800W，調(diào)節(jié)高壓脈沖為40～100 μs，高壓延時為5～50 μs，高壓幅值為10～50 kV，時間為300～500 min，將離子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金屬件的近表面形成一層Al離子注入層，從而增強表面層的結(jié)合力。
（5）薄膜沉積：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與偏壓電源，調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為1500～3000 Hz，高功率濺射脈寬為10～60 μs，高功率濺射延時為80～120μs，高功率濺射功率為300～600W，調(diào)節(jié)偏壓脈沖為20～70 μs，偏壓延時為5～30 μs，高壓幅值為80～150 V，時間為1000～1600 min。
具體實施方式一：
（1）樣件準備：將航天器用某鋁合金金屬件打磨拋光后，置于真空室內(nèi)的樣品臺上，將樣品臺的高度調(diào)節(jié)至孿生靶垂直線相交的位置，金屬件接高壓脈沖電源的高壓脈沖輸出端；
（2）抽真空：首先打開機械泵和旁抽閥，當真空度抽至10Pa，打開閘板閥及分子泵，關(guān)閉旁抽閥，提高抽氣速率進入高真空。真空度達到2×10-3Pa時，開始通入高純度的Ar2和O2，Ar2流量固定在50sccm，O2流量控制在11sccm；
（3）濺射清洗：首先打開射頻電源，控制功率在300±50 W，以在真空室內(nèi)形成射頻氣體等離子體，同時打開偏壓電源，調(diào)節(jié)偏壓頻率為100±5 HZ，偏壓脈寬為20±5 μs，偏壓幅值為5±1 kV，實現(xiàn)零件表面的離子濺射清洗，去除表面的殘余氧化物等雜質(zhì)，時間為120±5 min；
（4）離子注入：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與高壓脈沖電源，調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為200±1 Hz，高功率濺射脈寬為20±5 μs，高功率濺射延時為5±2 μs，高功率濺射功率為520±5W，調(diào)節(jié)高壓脈沖為50±5 μs，高壓延時為20±5 μs，高壓幅值為15±1 kV，將離子加速到10keV以上的能量而注入到零件表面，以在金屬件的近表面形成一層Al離子注入層，從而增強表面層的結(jié)合力，時間為360±5 min；
（5）薄膜沉積：同時打開高功率脈沖磁控濺射電源與偏壓電源，調(diào)節(jié)高功率濺射頻率為2000±5 Hz，高功率濺射脈寬為40±5 μs，高功率濺射延時為100±5μs，高功率濺射功率為400±50W，調(diào)節(jié)偏壓脈沖為40±5 μs，偏壓延時為10±5 μs，高壓幅值為100±10 V，時間為1440±10 min。
實施效果：制備的膜層外觀光滑、致密。熱控性能測試包括太陽吸收比和半球發(fā)射率的測量。采用LAMBODA 950 紫外/可見光/近紅外分光儀測得制備膜層的太陽吸收比為0.19，采用TEMP 2000A 輻射率儀測得制備膜層對太陽光譜中波長在250 nm-2500 nm吸收比為0.63,滿足熱控指標要求，采用劃痕法測得結(jié)合力大于60N，滿足強度要求，摩擦系數(shù)低于0.2，滿足防冷焊要求。