高真空密封技術(shù)的工藝研究

王克成，張洪生，夏成明，陳 紅，紀(jì) 明

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所 裝備產(chǎn)品事業(yè)部，蘭州 730000）

0 引言

隨著航天技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是探索月球、火星和其他行星等深空探測技術(shù)等方面的發(fā)展，對真空密封技術(shù)和材料提出了更新更高的要求。密封性能的優(yōu)劣直接影響著航天器的可靠性和壽命。航天器一直處在高真空、高輻射、高低溫交變等環(huán)境。普通的密封材料在這種特殊環(huán)境下容易變成硬而脆的玻璃態(tài)，失去彈性，導(dǎo)致密封性能降低或失效，在空間環(huán)境中使用具有一定的局限性。軟金屬銦銀合金密封材料能夠適應(yīng)這些空間環(huán)境，同時也能夠提高高真空密封性能，滿足航天器在空間環(huán)境下可靠密封、長期穩(wěn)定的使用要求。

美國的“阿波羅”計劃和蘇聯(lián)的“月球計劃”，采樣樣品封裝密封后均出現(xiàn)不同程度的泄漏，返回地球后的采樣樣品均受到污染，未能保持采樣樣品原有的高真空環(huán)境。借鑒國內(nèi)外相關(guān)的經(jīng)驗，提出了一種適合月球、火星及其他行星探測用的軟金屬銦銀合金密封技術(shù)，并對該密封技術(shù)的工藝進(jìn)行了探索和研究，解決了幾個主要關(guān)鍵技術(shù)難點。

1 工藝路線

高真空密封技術(shù)的結(jié)構(gòu)主要由三個部件組成，分別為筒體、蓋體和軟金屬銦銀合金密封材料。由此，高真空密封技術(shù)的生產(chǎn)制造工藝路線主要由筒體的生產(chǎn)制造工藝路線，蓋體的生產(chǎn)制造工藝路線和銦銀合金密封材料生產(chǎn)制造的工藝路線，具體生產(chǎn)制造的工藝路線如圖1所示。

圖1 工藝路線圖Fig.1 The diagram of technology route

1.1 筒體的生產(chǎn)工藝路線

筒體生產(chǎn)制造的工藝主要有：（1）機(jī)械零件加工；（2）表面處理；（3）刀口精加工；（4）鍍金。

1.2 蓋體的生產(chǎn)工藝路線

蓋體生產(chǎn)制造的工藝主要有：（1）機(jī)械零件加工；（2）表面處理；（3）鍍銀。

1.3 密封材料的生產(chǎn)工藝路線

密封材料生產(chǎn)制造的工藝主要有：（1）配料；（2）熔煉；（3）鑄錠；（4）擠壓；（5）成型。

2 解決的技術(shù)難點

2.1 密封材料的成分比例

密封材料主要由銦和銀構(gòu)成，銀的含量越高，則密封材料的熔點越低，硬度越小，需要的密封擠壓力就越?。汇y的含量越低，則密封材料的熔點越高，硬度越高，需要的密封擠壓力就越大。因此，密封材料的成分比例是首要解決的技術(shù)問題，同時也決定著密封擠壓力和材料的熔點、硬度。

2.2 刀口的構(gòu)型和加工精度

高真空密封技術(shù)主要是將刀口擠壓到密封材料中，實現(xiàn)高真空密封。因此，刀口的結(jié)構(gòu)形式直接影響產(chǎn)品的密封性能，刀口的夾角尺寸也影響密封壓力的大小。同時，由于刀口的環(huán)形直徑較大，又是薄壁零件，導(dǎo)致刀口的加工精度較低，表面粗糙度Ra≥3.2μm，這嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的密封性能。因此，在生產(chǎn)過程中必須對刀口進(jìn)行精加工，提高密封刀口的表面精度，使刀口表面粗糙度Ra≤0.4μm。密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of seal

2.3 刀口刃入深度

刀口刃入深度不僅對刃入擠壓力有影響，還對產(chǎn)品的密封性能產(chǎn)生較大影響。由于軟金屬密封材料是真空釬焊在蓋體的環(huán)形槽內(nèi)，其厚度只有2 mm。當(dāng)筒體的刀口刃入深度大時，則會破壞密封材料的釬焊性能，導(dǎo)致密封材料脫落，影響產(chǎn)品的密封漏率。同時，刃入深度大，也需要更大的擠壓力。因此，刃入深度不宜太大。但是，如果筒體的刀口刃入深度小，又達(dá)不到密封性能指標(biāo)。由此可見，產(chǎn)品刀口的刃入深度是一個非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。

建筑工程造價管理期間，需重視原材料質(zhì)量管理工作，利用科學(xué)合理的方式針對原材料質(zhì)量進(jìn)行管理，遵循與時俱進(jìn)的原則篩選原材料，按照設(shè)計圖紙的要求進(jìn)行造價管理。選擇原材料時，需針對種類與規(guī)格進(jìn)行全面分析，完善物理與化學(xué)性能，并提升綜合水平。一方面，在原材料采購環(huán)節(jié)，需針對質(zhì)量進(jìn)行檢驗，以便及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題并采取合理措施解決問題，選擇性價比較高的原材料開展施工活動。另一方面，在原材料進(jìn)入施工現(xiàn)場之后，需對其進(jìn)行分區(qū)域存放處理，以免原材料之間出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)影響工程質(zhì)量。

3 試驗過程

3.1 確定密封材料的成分比例

制備不同組分的銦銀合金密封材料的試驗件，即InAg9、InAg8、InAg7、InAg5、InAg3共5種，其中銀的含量分別為9%、8%、7%、5%、3%。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)試驗件的尺寸規(guī)格，制備適用于擠壓變形密封和熔焊密封試驗的銦銀合金材料。

密封材料的制備，采用純銦和純銀進(jìn)行感應(yīng)熔煉并結(jié)合二次熔煉工藝、快速冷凝工藝獲得了成分分布均勻的銦銀合金。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)形狀，對銦銀合金的鑄錠進(jìn)行擠壓成方條型，對其進(jìn)行硬度測試、熔點測試，測試結(jié)果如表1所列。

表1 各密封材料的硬度和熔點測試結(jié)果表Table1 Test results of hardness and melting point of each sealing material

密封材料必須適應(yīng)空間高低溫為±100℃的工況，考慮設(shè)計裕度，密封材料的熔點不能低于120℃。同時，密封擠壓力越小，則需要的空間能量資源就越小。結(jié)合以上分析和表1的測試結(jié)果，選用InAg7作為高真空密封材料。采用真空釬焊的工藝方法，將InAg7密封材料釬焊到蓋體預(yù)留的槽內(nèi)。圖3為釬焊結(jié)合面顯微分析圖。

圖3 InAg7合金與蓋體的釬焊面圖Fig.3 The brazing surface of InAg7 alloy and cover body

3.2 確定刀口的構(gòu)型和加工精度

由于筒體為薄壁筒狀零件，刀口為斜面，在機(jī)械加工中不能保證其表面的粗糙度要求。如圖4（a）所示，其中（a）為一次加工后形貌圖；（b）為精加工后形貌圖。刀口表面粗糙度較大導(dǎo)致刀口與密封材料的結(jié)合面不夠緊密，因此必須對刀口表面進(jìn)行精加工，提高刀口表面的粗糙度。

采用精密電火花成型機(jī)，配備相應(yīng)的電極和工裝對蓋體的刀口進(jìn)行精加工，使刀口表面粗糙度Ra≤0.4μm，如圖4（b）所示。

圖4 刀口加工形貌圖Fig.4 Machining diagram of knife edge

為了確定筒體的刀口構(gòu)型，生產(chǎn)制造了角度30°、45°、60°三種刀口構(gòu)型的筒體，刀口為高度1.5 mm。將筒體進(jìn)行離子鍍金，InAg7合金密封材料釬焊到蓋體預(yù)留槽內(nèi)，在規(guī)定的擠壓力下將刀口壓入銦銀合金密封材料內(nèi)，具體試驗結(jié)果如表2所列。圖5是不同刀口角度下測試刃入深度和漏率的現(xiàn)場測試圖，其中（a）是擠壓工裝照片；（b）是測試數(shù)據(jù)讀取照片。

表2 不同角度刀口刃入深度和漏率的測試結(jié)果Table2 The result of entry depth and leakage rate of blade at different angles

圖5 不同刀口角度下測試刃入深度和漏率的測試現(xiàn)場圖Fig.5 Test site for testing penetration depth and leakage rate under different cutting edge angles

為了準(zhǔn)確的分析計算刀口角度對高真空密封性能的影響，對刀口的受力情況進(jìn)行分析，具體如圖6刀口受力分析圖。

圖6 刀口受力分析圖Fig.6 The force analysis diagram of knife edge

式中：F為產(chǎn)品擠壓力；F1、F2為刀口刃入所克服阻力；α為刀口夾角。

由式（1）可知，產(chǎn)品擠壓力為定值，當(dāng)?shù)犊趭A角越大時，刀口刃入所克服的阻力則越大。當(dāng)?shù)犊诮嵌仍叫?，則越容易刃入，且刃入深度越大。

在規(guī)定的擠壓力下，采用30°角度的刀口，其漏率測試結(jié)果不能滿足產(chǎn)品使用要求。這是因為刀口刃入深度為1.37 mm，而密封材料的釬焊厚度只有2 mm，這不僅對密封軟金屬材料造成晶體破壞，也容易破壞密封材料的釬焊性能，導(dǎo)致密封材料脫落，從而無法使密封性能達(dá)到使用要求。采用45°角度的刀口，其刃入深度為0.65 mm，不會對密封軟金屬材料造成晶體破壞現(xiàn)象，其密封漏率為5.0×10-11Pa·m3/s，漏率指標(biāo)滿足產(chǎn)品使用要求。采用60°角度的刀口，其刃入深度為0.18 mm，漏率指標(biāo)不能滿足產(chǎn)品使用要求。這主要是因為刀口角度太大，刀口處所克服的阻力則越大，刀口越不容易刃入密封材料。因此，60°的刀口需要更大的擠壓力才能達(dá)到實現(xiàn)密封性能的深度。經(jīng)分析計算和試驗驗證，確定45°角度的刀口為高真空密封技術(shù)的刀口構(gòu)型。

3.3 優(yōu)化密封擠壓力和刃入深度

高真空密封技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)是密封漏率，密封擠壓力和刃入深度則是影響密封漏率的主要因素。因此，開展了一系列的工藝試驗驗證，優(yōu)選最佳的試驗數(shù)據(jù)，確定密封擠壓力和刃入深度。

首先按照試驗規(guī)程制備8套密封工藝試驗件，試驗件的刀口角度為45°，進(jìn)行擠壓工藝測試。然后在擠壓力分別為 200 kgf、250 kgf、300 kgf、350 kgf、400 kgf、450 kgf、500 kgf，對密封工藝試驗件進(jìn)行擠壓試驗，試驗完成后對密封漏檢進(jìn)行檢測，擠壓工藝試驗現(xiàn)場圖和測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 擠壓工藝測試結(jié)果圖Fig.7 The test result chart of extrusion process

3.4 擠壓工藝試驗測試結(jié)果

（1）擠壓力為200 kgf時，刃入深度為0.01 mm，無密封狀態(tài)，漏率測試設(shè)備無法啟動；

（2）擠壓力在300 kgf時，刃入深度0.4～0.5 mm，擠壓深度趨于平緩，漏率值為5.0×10-11Pa·m3/s，已達(dá)到產(chǎn)品使用要求；

（3）擠壓力大于400 kgf時，刃入深度為0.58～0.90 mm，漏率值滿足產(chǎn)品使用要求，但需要提供較大的擠壓力，這就需要提供較大的輸出力。這無疑增加了產(chǎn)品的功耗、降低了產(chǎn)品的效率。因此，擠壓力大于400 kgf不是本產(chǎn)品的最優(yōu)擠壓力和擠壓深度。

（4）擠壓力在350 kgf時，刃入深度0.50～0.54 mm，擠壓深度趨于穩(wěn)定，漏率指標(biāo)為5.0×10-11Pa·m3/s，達(dá)到產(chǎn)品使用要求。因此，確定本產(chǎn)品的擠壓力為350 kgf，刃入深度為0.60～0.65 mm。

4 結(jié)論

高真空密封技術(shù)的工藝可用于月球探測、火星及其他行星探測取樣時，對采樣樣品進(jìn)行高真空密封，避免所采集的樣品在返回地球時受到污染，確保樣品分析的準(zhǔn)確性。其主要結(jié)論為：

（1）所采用的原材料均為普遍使用的金屬材料，所采用的制造工藝均為成熟工藝；

（2）能夠適用于各種高真空、高輻射、高低溫等惡劣的空間環(huán)境，即該工藝具有高適應(yīng)性；

（3）密封后的漏率指標(biāo)大于≤5.0×10-11Pa·m3/s，并能夠經(jīng)受各種空間環(huán)境適應(yīng)性的考核，達(dá)到了航天應(yīng)用的技術(shù)要求。