微波组件铝壳体腐蚀防护行为研究

2017-05-04 16:07:51 作者：本网整理来源：中国知网分享至：

     目前，微波组件壳体的材料主要有Kovar（可伐）合金（Fe-29%Ni-17%Co，质量分数）、铝合金、无氧铜以及硅铝合金等。铝合金是一种很好的工程应用材料，具有质量轻、抗拉强度大、比刚度大和导热效率高等优点，是微波组件壳体较理想的材料。铝壳体外表面一般采用镀覆镍和金作为防护层和可焊层。国内外针对不同型号铝合金的腐蚀行为做了大量研究，冯海涛等人采用干湿周浸加速法研究了五种质量分数不同的NaCl溶液对2A12铝合金的腐蚀行为与规律。陈珊 [5] 等人用电化学试验法系统研究了在不同pH值时质量分数3%的NaCl溶液中5083铝合金的点蚀点位、自腐蚀点位及腐蚀质量损失，但对于镀覆镍和金铝壳体的微波组件腐蚀行为却鲜有报道。

    本文通过电镜观察和成分分析系统研究了微波组件镀覆镍/金铝壳体的腐蚀行为，详细讨论了微波组件生产和装配过程中可能产生腐蚀的原因以及环境因素的影响。通过对腐蚀过程反应方程和腐蚀产物的研究阐明了微波组件铝壳体镀覆层开裂或剥落机理。通过对微波组件铝壳体和镀覆层的处理改善了镀覆层的抗变色性和耐腐蚀性，从而对微波组件铝壳体起到很好的腐蚀防护作用。

    1 实验过程与现象

    本文微波组件铝壳体材料为5A05铝合金，其化学成分见表1。

加工好的5A05铝合金壳体经清洗、烘干处理后进行电镀镍、金处理。电镀完成的镀覆层按照GJB1941-94《金电镀层规范》对金镀层进行高温结合力试验，结合力试验合格的壳体经检验后进入装配工序。某型号的微波组件铝壳体装配工艺工序包括：电路板贴装、元器件贴装、电子装配以及芯片装配。装配完成后对微波组件进行初调，调试前镜检发现壳体镀层有腐蚀斑点，镀层明显破坏，如图1所示。

图2为开裂镀层处扫描电镜照片，由图2可以看出破坏点中心有大量白色粉末状物质，周围镀层被顶起开裂或剥离。

    2 结果与分析

    腐蚀主要有三种：

    1）一般性腐蚀。有害元素或离子接触金属部分直接腐蚀，如氧气直接腐蚀。2）与水共同作用的腐蚀。腐蚀性元素在水的作用下对金属进行腐蚀，如Clˉ金属腐蚀，首先是Clˉ与金属作用形成氯化物，氯化物水解后Clˉ又与金属作用。3）电化学腐蚀。两金属电极在电场、介质和可电离离子的条件下，阳极金属被逐步腐蚀，其中一种是原电池腐蚀，另一种是外电场作用的腐蚀。因此，本文主要从以下三个方面来分析微波组件铝壳体的腐蚀行为：1）镀覆工艺异常或镀层厚度不达标，造成镀层和基材之间结合力不牢，或镀层厚度太薄造成抗腐蚀性不足；2）镀后沾污，壳体镀后在传递过程中人为污染，或后道工序造成腐蚀性介质附着在壳体镀覆表面；3）产品暴露在高温高湿环境中，加剧腐蚀。

    2.1 镀层分析

    检查电镀过程中人、机、料、法、环各个环节，操作人员和设备都是固定的，电镀液维护记录显示没有异常，电镀参数无变化，电镀后对镀层进行260～270 ℃100%烘烤检验，镀层没有起皮、起泡、色斑等异常现象，镀层结合力检测无异常，由此可以看出，该产品镀覆工艺正常，镀层合格。对该失效产品失效区域（内腔上台面）用荧光测厚仪对镀层进行厚度分析，数据见表2。

由以上测厚数据可知，镀层厚度正常。扫描电镜对金镀层进行了细致的微观组织观察，如图3所示。由图3可以看出，金镀层微观组织较为均匀、致密，但存在一定的孔隙，在一定条件下液体易通过孔隙渗透镀覆层到铝壳体本体。从镀层结合力、镀层厚度以及镀层微观组织三方面综合分析表明，铝壳体镀层质量合格。

2.2 过程沾污分析

微波组件铝壳体镀覆日期为2016年6月18日，镀后外观检验正常，没有发现镀液残留造成的色斑，因金镀层对比度很高，清洗不完全造成的很少残留都会在镀层上留下明显色斑，尤其是形状复杂工件的边角处更是会因为积液而形成色斑。该产品外观检验正常，车间入检也正常，因此可以说明镀后清洗干净，表面无镀液残留。该产品交付车间日期为6月20日，车间交付模电部为7月13日以后，在此期间车间进行如图4所示的工作。

检验合格的壳体进入工艺装配工序。由产品装配过程可知，从铝板材到微波组件产品经过多道工艺工序、多人参与并由多部门配合完成，产品的实现是依靠自动、半自动、手动结合的方式。微波组件铝壳体在加工、电镀、二次加工、装配、调试、转移和传递等各个环节，在壳体保护措施执行不彻底的情况下，有可能存在裸手触摸壳体的现象，水、汗渍等多余物会沾污壳体表面，特别是镀覆后壳体表面。因此对图2中A和B区域进行成分分析，分析结果如图5所示。

    由图5（a）成分分析可以看出镀覆层剥落后5A05铝合金处的成分除Al外含有大量的C、O、Na、Cl、Si等元素，其中C元素是由于污染造成。由图2（b）扫描电镜照片可以看出A区域镀层剥落后呈粉末状，这说明此区域产生化学反应有新物质生成。从整个生产、装配过程来看Na、Cl等元素来源于汗液。

    2.3 环境因素分析

    操作间正常装配环境：温度18～28 ℃ ，湿度30%～70% RH。生产、装配、调试等过程是在6月-8月进行，外部环境处于高温、高湿状态，产品在转移等过程中多有暴露在外部高温、高湿环境中。

    3 机理分析

    铝及铝合金在大气中就能形成一层致密的 Al 2 O 3膜，一旦有水或大量水蒸气存在， Al 2 O 3 外层转化为薄层AlOOH，薄层AlOOH会转化为Al（OH） 3 。薄液膜下的电化学腐蚀的阴、阳极反应分别如下：

    阳极反应：Al - 3e - →Al 3+

    阴极反应：O 2 + 2H 2 O + 4e - →4OH - （中性或碱性溶液）

    O 2 + 4H + + 4e - →2H 2 O （酸性溶液）

    Al（OH） 3 在一定条件下会水解为 Al 2 O 3 或在酸性条件下与H + 反应生成 Al 2 O 3 。当有Clˉ存在时，Clˉ会吸附在氧化膜表面，尤其是氧化膜不完整或缺陷处吸附更强。吸附的Clˉ与氧化膜发生化学反应，引起氧化膜的减薄以及金属基体的直接溶解。铝腐蚀成粉末状氧化铝后体积膨胀数倍，腐蚀产物相对疏松，较同质量的金属体积更大，因此会引起镀层的鼓起。当镀层不能承受因腐蚀产物持续增多而引起的变形时，镀层发生开裂或剥落。

   3.31 改进措施

    以某型号的微波组件为例，采取以下措施来提高铝壳体镀层的耐腐蚀性，从而对微波组件铝壳体起到很好的腐蚀防护作用。

    1）对铝壳体组件镀前进行磁针抛光处理、改善材料的表面状态以提高镀层结合力。

    2）电镀后组件应尽快彻底干燥，储存在相对干燥的环境中，取用检验等过程中不要沾污，缩短检验传递等暴露时间并预浸SSC镀层保护剂。某型号带有镀覆层的微波组件铝壳体在不浸镀层保护剂和预浸SSC镀层保护剂后，按照GJB360（方法103）进行48 h和96 h稳态湿热试验，其结果见表3。

    由表3可以看出，铝壳体镀覆层表面浸SSC镀层保护剂后经48 h稳态湿热试验，镀层依然完好，96 h后镀层表面有轻微色斑。镀覆层表面波导和辐射板相互位置精度。

    3.3.2 真空钎焊夹具设计

    合理的装夹是保证零件获得高质量钎焊接头和平面精度的必要手段，其中最重要的是基准平板的设计。天线阵面高温焊接过程中辐射板与辐射腔始终处于贴合状态，以保证辐射板的焊接质量，要求基准平板能够在高温下保持足够高的刚度和强度。因此，基准平板选用不锈钢作为平板材料。同时，平板采用高筋状网格框架和板状工作面的钎焊结构。

    4 实际应用效果

    大尺寸高集成度机载平板裂缝天线的制造过程涉及工艺技术种类多，过程实现难度大。按照本文介绍的工艺方法，我们完成了某机载平板裂缝天线的零件精密加工、水道成型和整体精密焊接，经三坐标测量机和X-Ray设备检测证明，辐射板、辐射腔和功分腔的精度和表面质量均达到设计要求，水道焊接满足相关要求，天线焊缝钎着率高，天线焊接后面阵基本无变形，阵面均方根误差小于0.1 mm，阵面扼流槽深度满足设计使用要求。

     5 结束语

    本文提出了一种大尺寸高集成度机载平板裂缝天线的集成制造技术。首先介绍了该天线的一种集成制造流程，并重点研究了低刚性、高精度、薄板类零件精密加工技术、冷板深孔钻及熔焊封堵技术以及天线真空钎焊及其夹具研制等三种关键工艺技术。最后，通过某天线的成功研制，验证了本文介绍的研制思路的可行性，可为今后类似产品的研制提供借鉴。