離子推力器的柵極是一種多孔薄壁零件，其重要功能是從放電室中引出并加速離子從而產(chǎn)生推力。為了增強(qiáng)柵極組件的工作穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，尤其是對于大口徑離子推力器，通常柵極需要做成球面型。而且產(chǎn)品最終需要通過振動(dòng)和沖擊測試，因此柵極材料的力學(xué)性能對產(chǎn)品至關(guān)重要。研究了柵極的主要材料鉬，試驗(yàn)了在不同溫度下鉬柵極材料的熱處理，通過金相分析和樣片力學(xué)拉伸試驗(yàn)，得到了經(jīng)過不同熱處理鉬片的金相、抗拉強(qiáng)度和延伸率等材料特性，通過總結(jié)分析得出了適合鉬柵極的熱處理。

　　引言

　　電推進(jìn)是一種新型航天動(dòng)力系統(tǒng)，具有比重高、控制精度高的特點(diǎn)，是提升平臺(tái)能力的必要手段。離子推力器是空間電推進(jìn)的一種，歐美國家已經(jīng)將其應(yīng)用于航天器以提高性能。其工作原理是利用電能將推進(jìn)劑電離，再通過柵極組件(亦稱離子光學(xué)系統(tǒng))引出并加速離子產(chǎn)生推力，因此柵極組件的穩(wěn)定性和可靠性直接影響推力器的性能。柵極是一種多孔薄壁件，在0.5 mm左右厚的板材上開成千上萬個(gè)小孔，幾何透明度最高可達(dá)70%。柵極材料要有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，不但要耐離子的濺射腐蝕，還要能抵抗發(fā)射以及機(jī)構(gòu)解鎖所受到的沖擊，其材料可為鉬、鈦或者碳，目前國內(nèi)柵極大都為鉬。柵極組件工作時(shí)受熱膨脹，但是柵間距要保持在一定范圍內(nèi)。為了增強(qiáng)柵極組件的工作穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大口徑柵極一般設(shè)計(jì)為球面型。鉬柵極球面加工首先要進(jìn)行預(yù)成型，然后進(jìn)行熱處理消除加工應(yīng)力并保持最終形狀。鉬柵極的熱處理通常選用氫氣爐，熱處理的關(guān)鍵參數(shù)是熱處理溫度和保溫時(shí)間。

　　經(jīng)過熱處理后的鉬柵極是最終產(chǎn)品，將作為組件裝配到離子推力器上使用。作為航天產(chǎn)品，不但要求優(yōu)良的工作穩(wěn)定性，還必須通過單機(jī)的震動(dòng)和沖擊試驗(yàn)以保證產(chǎn)品能安全通過發(fā)射環(huán)境，因此需要材料有良好的塑性和韌性。本研究目的是要通過熱處理試驗(yàn)找出滿足工程應(yīng)用的鉬柵極材料特性。

1、實(shí)驗(yàn)及方法

　　試樣材料均采集于0.4 mm和0.5 mm厚的柵極材料，其中拉伸試樣按照GJB 951-90《貴金屬及其合金板、帶材拉伸試驗(yàn)方法》制備，而金相分析用試樣則按10 mm×10 mm制備，以上試樣均按不同厚度制備了等同數(shù)量。先進(jìn)行了熱處理試驗(yàn)，隨后分別是拉伸試驗(yàn)和金相分析。其中熱處理采用小型高溫氫氣爐，要求升溫速率不大于10 ℃/min，試樣最終隨爐冷卻。

　　1.1、熱處理試驗(yàn)

　　為了研究熱處理溫度和保溫時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)對鉬材料的力學(xué)性能的影響，需要對其分別試驗(yàn)。鉬的再結(jié)晶溫度為900 ℃，為了解更寬泛熱處理溫度下鉬的晶粒以及力學(xué)性能變化情況，試驗(yàn)設(shè)計(jì)熱處理溫度從800～1 500 ℃內(nèi)共取了9個(gè)溫度點(diǎn)，而保溫時(shí)間分別設(shè)置了60 min、120 min 和180 min三種。每爐對應(yīng)0.4 mm和0.5 mm厚拉伸試樣各三片，以及0.4 mm和0.5 mm厚金相分析試樣各一片。

　　1.2、拉伸試驗(yàn)及金相分析

　　經(jīng)過熱處理的試樣分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和金相分析。拉伸試驗(yàn)是在普通拉伸試驗(yàn)機(jī)上實(shí)施的，每個(gè)熱處理溫度和保溫時(shí)間下三片試樣取平均值。通過拉伸試驗(yàn)獲取經(jīng)過熱處理鉬片的力學(xué)性能參數(shù)，主要有拉伸強(qiáng)度和延伸率。金相分析則是做了0.4 mm厚試樣的側(cè)面和0.5 mm厚試樣的正面。

2、結(jié)果與分析

　　2.1、力學(xué)性能

　　將拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)列表，其中拉伸強(qiáng)度和延伸率數(shù)據(jù)是三個(gè)在同一熱處理溫度和保溫時(shí)間下試樣的平均值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)繪制了拉伸強(qiáng)度、延伸率與熱處理溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示。(a)為0.4 mm鉬試樣數(shù)據(jù)，(b)為0.5 mm鉬試樣數(shù)據(jù)，圖中(a)、(b)試樣的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。發(fā)現(xiàn)以t5溫度點(diǎn)為界分為兩個(gè)區(qū)域，即陰影區(qū)和非陰影區(qū)。在陰影區(qū)域內(nèi)拉伸強(qiáng)度隨著熱處理溫度的升高急劇下降，從最高644 MPa下降到409 MPa，而延伸率顯著提高，從最低14%提高至34%。在此區(qū)域內(nèi)，60 min與120 min的保溫時(shí)間對拉伸強(qiáng)度的影響區(qū)別不大，只有180 min的保溫時(shí)間顯著降低了拉伸強(qiáng)度。綜合圖1中的(a)和(b)圖，發(fā)現(xiàn)保溫時(shí)間越長，則延伸率越大。而過了t5溫度點(diǎn)之后，即非陰影區(qū)域內(nèi)，拉伸強(qiáng)度和延伸率的變化趨于平穩(wěn)，拉伸強(qiáng)度平均在430 MPa，延伸率平均為31%。通過對比發(fā)現(xiàn)在t7溫度點(diǎn)保溫時(shí)間為120 min時(shí)，有著較高的拉伸強(qiáng)度和延伸率。

圖1 拉伸強(qiáng)度、延伸率與熱處理溫度和保溫時(shí)間的關(guān)系圖

　　2.2、金相分析

　　金相分析采用了GB/T6394-2002標(biāo)準(zhǔn)評級(jí)，結(jié)果采用了放大500倍后的金相，如圖2所示，(a)為0.4 mm試樣金相，(b)為0.5 mm試樣金相，為了方便比較，在圖2(a)圖中最上方一行加入了原始態(tài)鉬材料的兩個(gè)正面和一個(gè)側(cè)面金相。原始態(tài)鉬試樣的側(cè)面金相顯示了內(nèi)部的纖維狀細(xì)長晶粒并相互搭接交錯(cuò)，其正面金相則顯示了一些位錯(cuò)以及少量的亞晶粒。從t1熱處理溫度點(diǎn)開始相互搭接交錯(cuò)的纖維狀細(xì)長晶粒開始轉(zhuǎn)變成等軸晶，保溫時(shí)間的增長擴(kuò)大了轉(zhuǎn)變程度，這個(gè)變化隨著溫度的升高和保溫時(shí)間增長而持續(xù)擴(kuò)大。

　　結(jié)合圖2，在t5溫度點(diǎn)時(shí)之前的纖維狀細(xì)長晶粒已完全再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑸�長為粗大的晶粒和少量細(xì)小晶粒。隨后較高的溫度點(diǎn)和保溫時(shí)間對晶�；�本無影響。真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.healwit.com.cn/）認(rèn)為這與拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相符，即在t5溫度點(diǎn)之前隨著溫度的升高，鉬材料的拉伸強(qiáng)度急劇降低和延伸率變大。這正是由于隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的加長，發(fā)生了再結(jié)晶并逐漸生長成粗大晶粒降低了材料強(qiáng)度但提高了塑性。而t5溫度點(diǎn)之后晶粒變化不大，即表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度和延伸率變化。

圖2 不同熱處理溫度和保溫時(shí)間下的鉬金相

3、討論

　　在工程應(yīng)用中，材料塑性的提高往往伴隨著強(qiáng)度的損失，塑性和強(qiáng)度二者的矛盾給應(yīng)用帶來困難，因此需要根據(jù)應(yīng)用需求和特點(diǎn)對力學(xué)性能進(jìn)行優(yōu)化。塑性是材料的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，通常用材料拉伸試驗(yàn)中的延伸率和斷口收縮率表示。塑性表示著材料抵抗裂紋形成的能力，而韌性是材料抵抗裂紋生長的能力。對鉬柵極進(jìn)行熱處理的目的就是為了消除加工應(yīng)力保證其球面形狀，并且提高其力學(xué)性能以滿足抗沖擊和振動(dòng)要求。早期柵極的熱處理工藝處理之后，拉伸強(qiáng)度為440 MPa左右，與現(xiàn)行工藝基本相當(dāng)，但其延伸率為10%左右，最低為4%。并且在一次力學(xué)試驗(yàn)中出現(xiàn)柵極破裂的問題，經(jīng)分析原因?yàn)闁艠O局部因打火脆化。如采用t7熱處理溫度和保溫120 min的熱處理工藝，鉬柵極材料延伸性平均為33%，相比之前熱處理工藝在保持拉伸強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那疤嵯滤苄蕴岣吡?倍多，因此可以確信大幅提高了柵極的安全裕度和抗沖擊能力。

4、結(jié)論

　　通過試驗(yàn)研究，掌握了熱處理工藝對鉬的力學(xué)性能和內(nèi)部組織的影響變化規(guī)律，為選擇和優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)：

　　(1)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了熱處理后鉬材料力學(xué)性能變化曲線，通過金相分析可以直觀的了解每個(gè)處理工藝對內(nèi)部晶粒組織結(jié)構(gòu)的影響。

　　(2)采用t7熱處理溫度和120 min保溫時(shí)間可提高鉬柵延伸率至33%左右，提高了材料塑性以及柵極組件安全裕度。

　　(3)可以利用現(xiàn)有掌握的力學(xué)數(shù)據(jù)，通過模擬分析對柵極組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。