在美國國家航空航天局(NASA)約翰·肯尼迪航天中心(KSC)為期一學(xué)期的實習(xí)的主要目的是研究腐蝕對地面支持設(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)最大的材料退化問題之一，需要啟動特殊的保護措施以適當(dāng)減輕腐蝕。以下所有四個項目的共同主要目標(biāo)是評估在多種環(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械、結(jié)構(gòu)和化學(xué)兼容性，采用了多種測試方法來評估這些不同候選金屬的腐蝕特性。
本報告所列舉的項目直接代表了作為NASA KSC的NIFS實習(xí)生在實習(xí)期間所完成的工作。本次實習(xí)期間完成的四個項目包括腐蝕技術(shù)實驗室網(wǎng)站重新設(shè)計項目、海洋大氣暴露和加速腐蝕測試之間的時間相關(guān)性項目、循環(huán)動電位極化(CPP)測試項目和不銹鋼等離子體鈍化測試(ss)項目。
A. 腐蝕技術(shù)實驗室網(wǎng)站重新設(shè)計項目
腐蝕技術(shù)實驗室網(wǎng)站重新設(shè)計項目最初旨在提高網(wǎng)站界面的整體兼容性和用戶友好性，包括開發(fā)某些網(wǎng)站設(shè)計功能的原型，如交互式歷史時間表和KSC腐蝕試驗場的交互式地圖。一旦這些功能被創(chuàng)建出來，它們最終將有助于從整體上提升網(wǎng)站的用戶體驗。腐蝕技術(shù)實驗室網(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)站包含極有價值的信息，但不一定包含最新的信息。這種急需改進的跡象強烈地推動了新的web界面的開發(fā)。
該項目通過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)，與美國宇航局KSC NE-L4組織的目標(biāo)相一致。例如，DoD(國防部)是NASA KSC大氣腐蝕試驗場的重要客戶，并利用所得數(shù)據(jù)來幫助他們自己在該領(lǐng)域的應(yīng)用。這個項目的一個成果是讓我(作為實習(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)的實驗和數(shù)據(jù)分析。這個網(wǎng)站重新設(shè)計項目的另一個成果是使公眾觀眾、潛在客戶和NASA雇員能夠以一種可展示的方式訪問這個網(wǎng)站上包含的數(shù)據(jù)和信息，使用戶能夠相對容易地瀏覽這個網(wǎng)站。
B.海洋大氣暴露和加速腐蝕測試項目之間的時間尺度關(guān)聯(lián)性
美國宇航局KSC實驗室進行的大部分腐蝕測試是針對將長期暴露在高鹽環(huán)境中的材料。受大量氯化鈉影響的NASA KSC機構(gòu)包括發(fā)射支持結(jié)構(gòu)、GSE、飛行硬件和軍用車輛部件。因為這些實體不斷受到惡劣海洋環(huán)境的影響，他們需要先進的實驗來確保候選材料準(zhǔn)備好保護我們太空海岸以及美國其他地方的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，高級試驗必須以系統(tǒng)的方式進行，與客戶和/或NASA的目標(biāo)和總體范圍相一致。該試驗包括在海濱大氣腐蝕試驗場進行嚴(yán)格的長期暴露，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。雖然這種長期的實時曝光是獲取精確數(shù)據(jù)的一種很好的方法，但是它不允許加速過程的可能性。由美國宇航局KSC腐蝕小組開發(fā)的一種方法，將允許催化過程，包括加速腐蝕試驗方法。這些加速腐蝕試驗方法包括使用圖1所示的Q-FOG CCT-1100自動循環(huán)腐蝕鹽霧箱以及圖2所示的ASST(交變海水噴霧試驗)裝置。
為了數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的，已經(jīng)進行了以前的研究來比較這兩種測試方法(長期和加速)。根據(jù)多項研究中的一項，海濱大氣腐蝕試驗場用于測試長期和加速試驗方法。長期方法由1010個鋼(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個鋼(UNS 10100)面板組成，這些面板相對于海水噴淋系統(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。開發(fā)ASST的目的是通過使用直接從大西洋抽取的鹽水進行加速測試。
該項目通過提供利用長期暴露測試方法與加速測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。通過實施加速試驗方法，腐蝕工程團隊尤其能夠正確評估每種試驗方法的性能，以便在以后以更快的速度對某些候選材料進行試驗。另一項分析1010個鋼長期和加速腐蝕相關(guān)性的類似研究表明，加速試驗方法的腐蝕速率(0.71mm/y)大于長期暴露方法(0.55mm/y)。這項研究的預(yù)期結(jié)果包括獲得更多最新數(shù)據(jù)，在確定更快速的測試方法方面取得更大進展，以及滿足客戶的需求。通過表明只有加速腐蝕試驗才是未來材料腐蝕分析的可能選擇，這些將有助于總體努力的進步和成功。該項目的當(dāng)前狀態(tài)被認(rèn)為是持續(xù)的，可能會持續(xù)相當(dāng)長一段時間。
該項目的發(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精密天平測量每個校準(zhǔn)板的質(zhì)量損失，精確到1克的百分之一，同時使用Keyence VHX-5000數(shù)字顯微鏡測量表面粗糙度。在最終質(zhì)量評估之前，還對面板進行了后處理，以減少現(xiàn)場測試后可能殘留在面板表面的任何殘余碎片，測試方法包括使用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量樣品的表面粗糙度。當(dāng)使用Keyence VHX-5000數(shù)字顯微鏡時，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天后進行評估，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 在兩種不同測試方法(ASST和大氣暴露)下的兩個面板中，結(jié)果顯示，與大氣暴露相比，ASST的腐蝕能力更強，即使暴露持續(xù)時間更短。 兩塊板之間表面粗糙度的差異表明，長期暴露于大氣中會產(chǎn)生更均勻的腐蝕表面形貌，而加速暴露會產(chǎn)生更粗糙、更不均勻的表面形貌。
除了長期大氣暴露測試之外，還進行了上述加速測試。在長期大氣暴露測試期間，1018碳鋼校準(zhǔn)板沒有受到任何種類的加速因子的影響，就像那些受到ASST或Q-FOG CCT-1100自動循環(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)、紫外線輻射和實時氯化物濃度。經(jīng)受住長期試驗的試驗板位于NASA KSC基地的多個地點，包括LETF、VAB的多普勒基地、LC-39B和海濱大氣腐蝕試驗基地。在除VAB之外的所有現(xiàn)場位置，實驗測試架上的一組面板被有目的地覆蓋上金屬覆蓋層，以比較受保護面板與未受保護面板對紫外線輻射評估的屏蔽效果。所有現(xiàn)場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圍大氣中的氯化物，以供以后進行化學(xué)評估，ISO-9225:金屬和合金的腐蝕-大氣腐蝕性-污染測量中對此進行了詳細說明。該化學(xué)評估包括一個稱為滴定的過程，通過該過程，負責(zé)的實驗室人員試圖根據(jù)SW-846試驗方法9212:用離子選擇性電極對水樣中的氯化物進行電位測定所指示的另一種溶液的濃度來確定氯化物的濃度。
自從1966年實驗測試誕生以來，美國宇航局KSC已經(jīng)評估了數(shù)百個面板，并計劃在未來許多年繼續(xù)這項正在進行的研究。
C.循環(huán)電位極化（CPP）測試項目
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火箭上運送宇航員。艙內(nèi)活動(IVA)服裝目前正在組裝、修改和測試，以確保宇航員在不遲于(NLT) 2021年進行的探索任務(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行測試。CPP(循環(huán)動電位極化)測試應(yīng)該讓參與該項目的人員了解如何改進該系統(tǒng)，并最終使其對未來的Orion機組成員安全。候選金屬合金將作為試驗階段的試樣。
實驗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。在進行任何CPP實驗之前，有必要成功校準(zhǔn)每個可用的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。
本研究尚未進行實驗，因為實驗將在本報告提交后進行。 這個CPP測試項目是NASA JSC和NASA KSC的一個聯(lián)合項目，最終將為未來的材料選擇提供重要數(shù)據(jù)。為未來的材料選擇提供重要的數(shù)據(jù)。
D.不銹鋼（SS）的等離子體鈍化測試項目
由于腐蝕總是需要監(jiān)測和控制，美國航天局KSC應(yīng)用化學(xué)實驗室開發(fā)了一種可能的方法來處理GSE和發(fā)射支撐結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境中使用的不同類型的不銹鋼。本項目的目的是評估氣態(tài)等離子體對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)功率和曝光時間修改。如圖11所示，每個樣本的一半用Kapton膠帶粘貼，而另一半未粘貼。該粘貼程序旨在評估每個樣本的粘貼一半與完全暴露的一半的保護性能(如有)。到目前為止，已經(jīng)在等離子體室中完成了三個實驗。在其中一個實驗中，每種不銹鋼的兩個樣品暴露了四個小時。該特定測試的參數(shù)包括0.1毫巴的室壓和一分鐘的初始氣體供應(yīng)持續(xù)時間。在每組實驗之后，將最近測試的實驗樣品與僅暴露在實驗室環(huán)境中大約一周的樣品進行比較，以進行總體外觀評估(即，暴露一周后有明顯腐蝕特性的跡象)。在最初的兩次測試后，決定采用一種水破壞測試，該測試涉及樣本的清潔，以確保在等離子體室中測試前樣本上沒有污染物或碎片。這包括使用超純水凈化系統(tǒng)和Liquinox肥皂清洗和沖洗樣品。
在測試和一周評估后，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/無膠帶界面處步長的可能增大/減小。如圖13所示，在該裝置上的激光顯微鏡顯示界面沒有突然變化。
