呂慎剛，秦 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鎂合金材料在T/R組件中的應(yīng)用研究

鎂合金材料具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，為輕量化T/R組件的研制提供了思路。文中以某T/R組件為例，介紹了T/R組件的組成、鎂合金材料特性、表面防護(hù)以及在T/R組件上的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的T/R組件通過實(shí)物樣件進(jìn)行了驗(yàn)證，并和鋁合金材料的T/R組件進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)使T/R組件的輕量化程度有較大提高，且能夠滿足T/R組件的性能要求。

鎂合金; T/R組件; 表面防護(hù); 適應(yīng)性設(shè)計(jì)

引 言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)的不斷發(fā)展，輕量化、小型化的需求日益增長(zhǎng)，T/R組件也不斷向模塊化、輕小型化、一體化等方向發(fā)展，尤其是在星載、機(jī)載等領(lǐng)域，對(duì)T/R組件的重量也提出了越來越高的要求[1]。鎂合金材料由于具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、切削加工和熱成型性好等優(yōu)點(diǎn)，已作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件在汽車、電子工業(yè)、航空航天、國(guó)防軍工等部門獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]。鎂合金材料的應(yīng)用為輕量化T/R組件的研制提供了思路，目前已在一些微波器件上嘗試應(yīng)用鎂合金材料。本文以某T/R組件為例，介紹了T/R組件的組成、鎂合金材料特性、表面防護(hù)以及在T/R組件上的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的T/R組件通過實(shí)物樣件進(jìn)行了驗(yàn)證，并和鋁合金材料的T/R組件進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)使T/R組件的輕量化程度有較大提高，且能夠滿足T/R組件的性能要求。

1 T/R組件的組成與適應(yīng)性設(shè)計(jì)

T/R組件隨系統(tǒng)性能要求各有不同，具體電路的復(fù)雜程度也有很大差異。一般而言，T/R組件由多個(gè)電路和器件優(yōu)化組合而成，其中，發(fā)射通道包含單級(jí)或多級(jí)功率放大器，接收通道包含衰減器、限幅器和低噪聲放大器，收發(fā)通道共用的部分包括環(huán)行器、收發(fā)開關(guān)、移相器、控制電路等[4-5]。為了獲得良好的性能和穩(wěn)定可靠地工作，還可能增加其它的功能電路。文中討論的T/R組件為單通道組件，其原理框圖如圖1所示。

圖1 T/R組件原理框圖

T/R組件設(shè)計(jì)是在有限的空間和重量條件下將本來相互孤立、聯(lián)系松散或不同模塊的若干系統(tǒng)緊緊融合起來，整合成一個(gè)有機(jī)整體。金屬材料在T/R組件上作為封裝材料使用，主要應(yīng)用于殼體、蓋板等結(jié)構(gòu)件，它們?yōu)門/R組件的各種模塊提供安裝支撐，同時(shí)也為各模塊提供合適的工作環(huán)境(如冷卻、接地、電磁屏蔽等)。由于課題中使用的鋁合金材料T/R組件的重量不能滿足指標(biāo)要求，因此T/R組件輕量化設(shè)計(jì)方案采用鎂合金材料代替鋁合金，并根據(jù)其對(duì)材料的要求以及自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括材料選擇、表面處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

2 材料選擇

鎂合金材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，密度為1.74～1.85 g/cm3，比鋁合金輕33%左右，有較高的比強(qiáng)度和比剛度，采用鎂合金可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量。鎂及鎂合金可用鑄造與機(jī)械加工等方法制成各種產(chǎn)品，且具有優(yōu)良的切削加工性能。另外，它還具有優(yōu)良的阻尼性、電磁屏蔽性、減振性。但鎂合金容易氧化燃燒，耐蝕性差，常溫力學(xué)性能較差，高溫強(qiáng)度低及蠕變性能差，這些缺點(diǎn)限制了鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用。因此，一些鎂合金新材料和新工藝受到關(guān)注，得到研發(fā)，并逐步應(yīng)用到了工程實(shí)踐中[3，6-7]。

鋁合金材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微波器件，表1給出了幾種常用牌號(hào)的鋁合金材料和鎂合金材料的部分物理性能。

表1 部分鎂合金與鋁合金材料性能

選擇鎂合金材料需要綜合考慮材料的加工性能、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能以及導(dǎo)電性能，同時(shí)基于小批量的應(yīng)用需求，材料主要考慮變形鎂合金，其中，變形鎂合金MB8就具有較好的綜合性能，是一種比較好的選擇。

3 表面防護(hù)

鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，極易與氧氣、水等發(fā)生反應(yīng)而生成致密度系數(shù)較低的一層非金屬膜,與鋁合金不同，這層膜不能阻止氧等氣體的進(jìn)一步反應(yīng)，對(duì)金屬基體起不到有效的保護(hù)作用。另外，鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是常用金屬結(jié)構(gòu)材料中最低的，當(dāng)與其它金屬接觸時(shí)，易發(fā)生電偶腐蝕而加速腐蝕，這些都成為限制鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵問題。為了進(jìn)一步提高鎂合金的使用性能，擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪蕴岣咂淠臀g性也是一種有效的方法。目前所采用的處理措施主要有化學(xué)氧化、陽極氧化、微弧氧化、有機(jī)涂層、金屬涂層等[6-10]。

化學(xué)氧化處理與陽極氧化處理在鎂合金表面形成的氧化膜的防蝕能力優(yōu)于自然氧化膜，但由于膜層空隙大，分布不均勻，一般只作為涂裝前處理，還需進(jìn)行充填等后處理，而有機(jī)涂層就是一種有效的后處理方法。在鎂合金經(jīng)過表面處理之后涂上有機(jī)涂層可以加強(qiáng)保護(hù)，起到屏蔽、鈍化緩蝕和電化學(xué)保護(hù)作用，是提高鎂合金耐腐蝕性能的一種比較成熟的工藝方法。

微弧氧化處理生成的膜層綜合性能優(yōu)良，與陽極氧化膜相比，微弧氧化膜的空隙小，空隙率低，與基質(zhì)結(jié)合緊密，在耐蝕、耐磨性能等方面得到了很大的提高，可作為鎂合金最終的防護(hù)措施，是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ逆V合金表面處理技術(shù)。由于鎂合金微弧氧化膜不導(dǎo)電，在需導(dǎo)電的應(yīng)用場(chǎng)合還必須進(jìn)行導(dǎo)電化處理。

鎂合金也可用金屬涂層加以保護(hù)，通常采用化學(xué)鍍的方法在其表面鍍上金屬。化學(xué)鍍最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以在形狀復(fù)雜的樣品，特別在孔洞及深凹處獲得厚度均勻的鍍層。目前已應(yīng)用于鎂合金的化學(xué)鍍層主要有化學(xué)鍍鎳、Ni/Au、Cu/Ni/Cr等?；瘜W(xué)鍍鎳所得鍍層具有良好的力學(xué)性能、耐蝕性和可焊性，而且可以深入到器件的小孔內(nèi)部，適合要求嚴(yán)格的航天器部件。鎂合金化學(xué)鍍鎳后，可以根據(jù)需要在其表面鍍上其它耐蝕金屬。

T/R組件殼體需要有較好的導(dǎo)電能力，同時(shí)為了減重，在該設(shè)計(jì)中減少了螺釘連接而采用焊接形式固定器件，因此表面還需要有較好的可焊性。鎂合金殼體表面最終處理采用的是化學(xué)鍍鎳，既可滿足組件殼體的復(fù)雜形狀，也彌補(bǔ)了鎂合金電阻率比鋁合金大的不足(微波的趨膚效應(yīng))。為驗(yàn)證殼體表面化學(xué)鍍鎳的可焊性和耐腐蝕能力，前期加工了試樣進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖2和圖3所示，結(jié)果滿足要求。由于鎂合金材料表面易氧化腐蝕，鎂合金在加工、熱處理過程中也需進(jìn)行表面防護(hù)。

圖2 焊接試驗(yàn)試樣

圖3 鹽霧試驗(yàn)試樣

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

T/R組件殼體是典型的殼體類結(jié)構(gòu)零件，腔內(nèi)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，內(nèi)有深度不同的腔體，并有厚度較薄的隔墻隔離，有深度和直徑不同的孔，用于安裝各種連接器和模塊，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮T/R組件殼體的加工工藝性[5]。由于鎂合金強(qiáng)度偏低，耐蝕性差，一般不在鎂合金零件基體上直接加工螺紋，而是在基體上鑲嵌強(qiáng)度較高的過渡金屬，較簡(jiǎn)單的方式就是加裝不銹鋼鋼絲螺套，同時(shí)在螺套底孔內(nèi)涂一層環(huán)氧樹脂，既防止腐蝕，又可以保證連接牢固。在其它材料選擇上要盡量減少異種金屬與鎂合金的電化學(xué)差異，這樣可以在很大程度上減輕電偶腐蝕。同時(shí)為了提高鎂合金零件的機(jī)械性能和消除零件加工后的殘余應(yīng)力，還需對(duì)零件進(jìn)行熱處理。

圖4 T/R組件殼體溫度分布

T/R組件中包含功率管等熱源，有資料表明，功率管過熱是引起管子損壞、T/R組件失效、雷達(dá)性能下降的重要原因之一，因此還需要對(duì)T/R組件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)[11]。鎂合金MB8的熱導(dǎo)率小于鋁合金，所以圖4給出了2種材料在相同工況下的殼體溫度分布(溫控板溫度取50 ℃，并對(duì)殼體進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理)。

從圖4可以看出，2種殼體只有1.8 ℃的溫差(對(duì)應(yīng)底板厚度4.5 mm)，表明使用鎂合金材料對(duì)殼體溫度的影響不大。此外，根據(jù)仿真結(jié)果并考慮2個(gè)環(huán)節(jié)的接觸熱阻，可以計(jì)算出使用鎂合金時(shí)管子的結(jié)溫：54.6+25 × 0.6+125 × 0.2 = 94.6 ℃<110 ℃，滿足管子Ⅰ級(jí)降額設(shè)計(jì)要求(功率管峰值熱耗為125 W，最大占空比為20%，管子平均熱耗25 W，功率管結(jié)殼熱阻按照0.2 ℃/W，總接觸熱阻按0.6 ℃/W計(jì)算)。

5 鎂合金在T/R組件上的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)適應(yīng)性設(shè)計(jì)的要求，綜合考慮T/R組件的材料、表面處理以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，設(shè)計(jì)出了T/R組件實(shí)物，如圖5所示，同時(shí)還加工了對(duì)比用鋁合金材料的T/R組件。設(shè)計(jì)的T/R組件呈磚形結(jié)構(gòu)，本體尺寸為178 mm × 52 mm × 20 mm，重量為370 g，滿足重量小于400 g的指標(biāo)要求，相比于鋁合金T/R組件，其減重達(dá)16%。同時(shí)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，2種組件的管殼溫度相差不大，與仿真結(jié)果一致。此外，還對(duì)比了2種T/R組件的接收增益、噪聲系數(shù)等相關(guān)電性能指標(biāo)，均能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。為使該方案能夠工程化，下一步工作是對(duì)T/R組件的長(zhǎng)期可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖5 T/R組件實(shí)物外形

6 結(jié)束語

文中介紹了T/R組件的組成、鎂合金材料的特性、表面防護(hù)以及在T/R組件上的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的T/R組件通過實(shí)物樣件進(jìn)行了驗(yàn)證，并和鋁合金材料的T/R組件進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)使T/R組件的輕量化程度有較大提高，且能夠滿足T/R組件的性能要求，具有一定的工程價(jià)值。針對(duì)T/R組件等微波組件的輕量化發(fā)展需求，鎂合金具有極大的優(yōu)勢(shì)。隨著鎂合金在實(shí)際應(yīng)用中加工成型、表面防護(hù)等問題的相繼解決，它在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將非常廣闊。

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呂慎剛(1979-)，男，工程師，主要從事微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Application of Magnesium Alloy in T/R Module

LV Shen-gang，QIN Chao

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Magnesium alloy has many advantages such as low density, high specific strength and specific stiffness, good damping property, good properties in electromagnetic screening and machining performance，which presents an available method for design of a light weight T/R module. In this paper the composition of a T/R module is introduced. Some key problems such as magnesium alloy characteristic, surface treatment and applicability design for T/R module are proposed. The T/R module samples are verified through the real T/R modules and compared with the aluminum alloy T/R module. Results show that the design can make the T/R module much lighter and meet the performance requirements of the T/R module.

magnesium alloy; T/R module; surface treatment; applicability design

2013-05-27

呂慎剛，秦 超

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

TG146.22

A

1008-5300(2013)04-0055-03