基于電沉積的波導(dǎo)組合精密修復(fù)技術(shù)研究*

周 華，呂 輝，顧 平

(南京電子技術(shù)研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

雷達(dá)設(shè)備饋線系統(tǒng)中的波導(dǎo)組合是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、內(nèi)表面質(zhì)量要求高的精密金屬構(gòu)件，其功能是傳輸、控制和分配射頻電磁信號(hào)，具有小駐波、低損耗、大功率等特點(diǎn)[1-2]。

隨著雷達(dá)結(jié)構(gòu)和電性能要求的不斷提高，波導(dǎo)組合器件的形狀越來(lái)越復(fù)雜，精度越來(lái)越高，通常需采用特種加工方法成形，成本高，周期長(zhǎng)，屬于射頻微波系統(tǒng)中的關(guān)重件和長(zhǎng)線件。銅質(zhì)波導(dǎo)組合比重大，材質(zhì)較軟，在周轉(zhuǎn)、加工及裝配過(guò)程中易出現(xiàn)劃痕、碰傷等問(wèn)題，直接影響電訊性能。

電沉積技術(shù)是利用原子沉積原理制造零件的精密特種加工方法，可以看作是金屬原子在陰極表面的“堆積”過(guò)程，成形的電沉積層能夠非常精確地填充陰極形貌及其細(xì)微結(jié)構(gòu)[3-4]?；陔姵练e的修復(fù)技術(shù)具有填充精度高、材料性能可控、適應(yīng)性廣、成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)。

本文對(duì)各種金屬器件的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了綜合對(duì)比，對(duì)銅質(zhì)波導(dǎo)組合電沉積修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)展開(kāi)了研究，并結(jié)合案例闡述了電沉積技術(shù)在波導(dǎo)組合精密修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用。

1 精密金屬構(gòu)件的常用修復(fù)技術(shù)

精密金屬構(gòu)件的修復(fù)應(yīng)遵循工藝合理、經(jīng)濟(jì)性好、效率高、生產(chǎn)可行的原則，常用的修復(fù)方法有激光修復(fù)法、粘接修復(fù)法、焊接修復(fù)法、電沉積修復(fù)法等[5]。

1.1 激光修復(fù)技術(shù)

激光修復(fù)技術(shù)利用激光輻射將放置在受損區(qū)的材料與金屬構(gòu)件表層快速融化，繼而迅速凝固形成貼合緊密的表面填充層。相比于其他修復(fù)技術(shù)，在高能激光作用下金屬材料融化和凝固的速度極快，被修復(fù)工件的熱影響區(qū)域小，結(jié)構(gòu)變形量小，結(jié)合強(qiáng)度高。控制激光的相關(guān)參數(shù)和限定輻射區(qū)域，可精確修復(fù)一些精密構(gòu)件難以抵達(dá)的區(qū)域，從而提高修復(fù)效率，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，但該方法對(duì)設(shè)備本身的要求較高。

1.2 粘接修復(fù)技術(shù)

粘接修復(fù)法利用粘接劑對(duì)金屬構(gòu)件的斷裂、缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)，方便快捷。隨著膠粘劑性能的不斷提升，粘接修復(fù)法的粘接強(qiáng)度大，能粘接各種金屬材料及不同材質(zhì)的零件。粘接修復(fù)在常溫下成形，不會(huì)引起熱應(yīng)力變形，工藝簡(jiǎn)便，密封性好，具有耐油、耐水、耐酸堿腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但粘接修復(fù)的零件一般無(wú)法承受高溫，抗沖擊能力差，不適用于局部磕碰磨損的修復(fù)。

1.3 焊接修復(fù)技術(shù)

焊接修復(fù)技術(shù)利用熔點(diǎn)低于金屬構(gòu)件母材的填充釬料連接受損零件或填補(bǔ)缺陷，適用于碳鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等材質(zhì)的零件以及不同金屬材質(zhì)的零件。因焊接區(qū)域局部高溫，為防止零件熱變形，以取得較好的修復(fù)質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)行焊修預(yù)熱、焊接過(guò)程中保溫和焊后熱處理退火等，工藝相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)，釬劑與母材材料不同，某些功能器件在使用過(guò)程中存在電位差和熱配適性等問(wèn)題。

1.4 精密金屬構(gòu)件電沉積修復(fù)技術(shù)

電沉積修復(fù)技術(shù)是一種基于金屬離子堆積的填充修復(fù)技術(shù)，在外加電源電勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，陽(yáng)極板金屬原子失去電子成為金屬離子溶入電解液中，在與陰極連接的受損工件表面，金屬離子得到電子被還原成金屬原子，經(jīng)過(guò)結(jié)晶生成電沉積層，從而精密修復(fù)工件局部損傷，如圖1所示。

圖1 電沉積修復(fù)技術(shù)原理圖

2 電沉積修復(fù)波導(dǎo)組合關(guān)鍵技術(shù)

銅質(zhì)波導(dǎo)組合由端面法蘭、側(cè)邊法蘭、階梯腔體及十字肋板組成。其中，十字肋板及內(nèi)腔表面共同構(gòu)成電磁波傳輸通道，該區(qū)域尺寸精度要求較高，如圖2所示。

圖2 銅質(zhì)波導(dǎo)組合設(shè)計(jì)效果圖

采用電沉積技術(shù)修復(fù)波導(dǎo)組合的工藝流程主要有表面預(yù)處理、絕緣防護(hù)處理、電沉積、后處理等，如圖3所示。其中，提高電沉積層與基體的結(jié)合力、未損傷表面高效絕緣防護(hù)及制備致密電沉積層是精密修復(fù)技術(shù)需解決的技術(shù)難點(diǎn)。

圖3 波導(dǎo)組合精密修復(fù)基本流程

2.1 提高電沉積修復(fù)層結(jié)合力

電沉積修復(fù)層與波導(dǎo)組合基體的結(jié)合力是修復(fù)成敗的重要標(biāo)志，結(jié)合力不良表現(xiàn)在沉積層與基體結(jié)合界面發(fā)生剝離以及沉積層之間發(fā)生剝離現(xiàn)象。為增強(qiáng)基底與電沉積層之間的結(jié)合力，進(jìn)行了以下優(yōu)化:

本文整體懸掛式鋼內(nèi)筒煙囪的設(shè)計(jì)模型是僅外筒接地，內(nèi)筒整體懸掛于懸吊平臺(tái)上，懸吊平臺(tái)支撐于外筒上，因而計(jì)算傳給基礎(chǔ)荷載的時(shí)候只需要考慮外筒底部的荷載數(shù)據(jù)[4]。整體模型下底部支座荷載數(shù)據(jù)如表3所示。

1)前處理表面活化。活化前處理是獲得良好結(jié)合力鍍層的關(guān)鍵。本研究將草酸(H2C2O4)溶液的pH值調(diào)節(jié)至4 ～ 5之間，浸蝕基底損傷部位10 ～ 15 min，除去表面的殘留污物及氧化膜，以保證除油效果良好?；罨幚砗蠊ぜ砻孢_(dá)到類似粗化效果的外觀，以增加沉積層與基底的結(jié)合力。

2)小電流預(yù)沉積。在電沉積修復(fù)工作的起始階段，先以0.5 A/dm2的較小電流密度預(yù)沉積一段時(shí)間，當(dāng)表面離子沉積形成10 ～ 20 μm厚貼合緊密的金屬膜后，再改以3 A/dm2的正常電流密度施以沉積修復(fù)。

3)真空退火處理。電沉積結(jié)束后，增加了真空退火工序，將電沉積后的波導(dǎo)組合直接放入220 ℃高溫馬弗爐中，保溫1～1.5 h后隨爐冷卻至室溫。增加退火處理工序能有效減小沉積層的殘余應(yīng)力，減小變形和裂紋傾向，從而提高修復(fù)材料與基底的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2 波導(dǎo)組合局部絕緣防護(hù)

為了避免周邊區(qū)域生成電沉積層，影響尺寸精度，增加后處理難度，需對(duì)波導(dǎo)組合損傷區(qū)域周邊進(jìn)行有效防護(hù)。絕緣防護(hù)措施要求有一定結(jié)合力，耐腐蝕，易清除，對(duì)電解質(zhì)溶液無(wú)污染等。本文研究的措施如下：

1)封蠟絕緣處理。選用中溫熔點(diǎn)蠟Aerowax MT進(jìn)行局部絕緣處理。該材質(zhì)在室溫下呈固態(tài)，組織緊密，絕緣性好，防濕密封，受力后變形不易碎裂，其主要理化性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Aerowax MT理化性能參數(shù)

2)仿形防護(hù)夾具。在封蠟絕緣的基礎(chǔ)上，根據(jù)被修復(fù)波導(dǎo)組合的結(jié)構(gòu)特征和待修復(fù)區(qū)域的具體位置，設(shè)計(jì)專用仿形防護(hù)夾具，十字凹槽與腔內(nèi)筋板過(guò)盈配合，以保證良好的密封性，如圖4所示。在通電之前先在夾具腔內(nèi)灌入一定量的蒸餾水，起到稀釋電解液的作用，避免少量電解液滲入夾具內(nèi)部后在工件表面形成多余的電沉積層。

圖4 波導(dǎo)組合電沉積修復(fù)防護(hù)夾具設(shè)計(jì)

電解液潔凈度對(duì)電沉積層的質(zhì)量影響較大。防護(hù)夾具直接與電解液接觸，為確保不給電解溶液帶來(lái)雜質(zhì)及其他金屬離子污染，它采用性能穩(wěn)定、絕緣性好、對(duì)電解質(zhì)溶液無(wú)污染的聚四氟乙烯材料銑削成形。

2.3 波導(dǎo)組合電沉積修復(fù)工藝

電沉積銅溶液配方選用應(yīng)力較小的硫酸銅鹽體系。它成分相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，易于維護(hù)，可采用較高的電流密度提高電沉積速度，優(yōu)化的組分見(jiàn)表2。在溶液中添加少量的乙基己基磺酸鈉作為濕潤(rùn)劑，以減少表面析出氣體吸附產(chǎn)生的氣孔，得到表面良好的沉積層。

表2 硫酸銅電解液體系組分

采用正負(fù)雙脈沖電源進(jìn)行電沉積，其中負(fù)向脈沖有利于去除陰極表面的毛刺，減小濃差極化，改善沉積層厚度的不均勻性。正脈沖平均電流密度為3 A/dm2，占空比為80%；負(fù)向脈沖平均電流密度為1 A/dm2，占空比為20%，如圖5所示。電沉積過(guò)程中施以陰極移動(dòng)和循環(huán)過(guò)濾，以增強(qiáng)離子傳質(zhì)，保證溶液的潔凈度。

圖5 正負(fù)雙脈沖電流波形圖

3 電沉積技術(shù)在波導(dǎo)組合修復(fù)中的應(yīng)用

某型雷達(dá)產(chǎn)品的銅質(zhì)波導(dǎo)組合內(nèi)腔表面受到損傷，直接影響到電訊性能，使該構(gòu)件面臨報(bào)廢， 如圖6所示。

圖6 受損波導(dǎo)組合實(shí)物圖

進(jìn)行電沉積修復(fù)前，需對(duì)受損區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，包括鍍銀層去除、清洗及表面活化。通過(guò)鉗工打磨去除受損局部鍍銀層后用去離子水洗凈，然后用草酸溶液擦拭該區(qū)域，對(duì)表面進(jìn)行活化處理，以提高修復(fù)層與母材的結(jié)合強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)局部涂蠟及聚四氟乙烯仿形工裝防護(hù)后放入電解液中，控制浸入深度，確保待沉積區(qū)域與電解液充分接觸，接入電鑄電源陰極。電解液主要成分為CuSO4·5H2O和H2SO4，溶液的pH值控制在3.8 ～ 4.0之間，溫度控制在25 ℃左右，正負(fù)雙脈沖電源峰值設(shè)為3 A/dm2，如圖7所示。

圖7 波導(dǎo)組合受損局部電沉積修復(fù)

根據(jù)法拉第第一電解定律，陰極電沉積的金屬質(zhì)量為：

M=ηkIt

(1)

式中：η是電流效率；k是金屬的電化當(dāng)量；I是電流強(qiáng)度；t是電流通過(guò)時(shí)間。

根據(jù)電沉積的金屬質(zhì)量和密度可以得出金屬的體積：

V=M/ρ=ρSδ

(2)

式中：S是受損修復(fù)區(qū)域面積；ρ是金屬密度；δ是電沉積修復(fù)層厚度。

由式(1)和(2)可得電沉積修復(fù)層的厚度：

δ=ηkIt/ρS=ηkjkt/ρ

(3)

式中：jk為擬合后的平均電流密度。

電流效率推薦值為0.85，銅的電化當(dāng)量為2，根據(jù)損傷的面積及深度，可推算出最少電沉積時(shí)間。所修復(fù)的波導(dǎo)組合在不間斷通電24 h后斷開(kāi)電源，將波導(dǎo)組合從電解液中取出，獲得所需厚度的電沉積層。

電沉積過(guò)程存在尖端放電效應(yīng)，在表面形成積瘤等多余結(jié)構(gòu)，需銑削加工去除。合理設(shè)置轉(zhuǎn)速及切削量，同時(shí)防護(hù)其他表面不受損傷，如圖8(a)所示。最后進(jìn)行局部電鍍處理，對(duì)電沉積修復(fù)的銅層表面按設(shè)計(jì)要求鍍鎳、鍍銀，如圖8(b)所示。

圖8 波導(dǎo)組合電沉積修復(fù)后處理

對(duì)修復(fù)后的波導(dǎo)組合進(jìn)行尺寸測(cè)量和電訊復(fù)測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性滿足設(shè)計(jì)要求，受損波導(dǎo)組合得以重新裝機(jī)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展電沉積精密修復(fù)技術(shù)專題研究，解決了提高電沉積層與基體結(jié)合力、局部高效絕緣防護(hù)和致密銅沉積層制備難題，成功修復(fù)了受損的銅質(zhì)波導(dǎo)組合。該方法簡(jiǎn)單可靠，成形精度高，修補(bǔ)材料與母材一致，可消除異種材料熱匹配及電位差影響。該修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)可推廣應(yīng)用于類似產(chǎn)品。