周 華，呂 輝，顧 平

(南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

引 言

雷達設備饋線系統(tǒng)中的波導組合是一種結構復雜、尺寸精度高、內表面質量要求高的精密金屬構件，其功能是傳輸、控制和分配射頻電磁信號，具有小駐波、低損耗、大功率等特點[1-2]。

隨著雷達結構和電性能要求的不斷提高，波導組合器件的形狀越來越復雜，精度越來越高，通常需采用特種加工方法成形，成本高，周期長，屬于射頻微波系統(tǒng)中的關重件和長線件。銅質波導組合比重大，材質較軟，在周轉、加工及裝配過程中易出現(xiàn)劃痕、碰傷等問題，直接影響電訊性能。

電沉積技術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”過程，成形的電沉積層能夠非常精確地填充陰極形貌及其細微結構[3-4]。基于電沉積的修復技術具有填充精度高、材料性能可控、適應性廣、成本相對較低等優(yōu)勢。

本文對各種金屬器件的修復技術進行了綜合對比，對銅質波導組合電沉積修復技術的關鍵點展開了研究，并結合案例闡述了電沉積技術在波導組合精密修復中的實際應用。

1 精密金屬構件的常用修復技術

精密金屬構件的修復應遵循工藝合理、經濟性好、效率高、生產可行的原則，常用的修復方法有激光修復法、粘接修復法、焊接修復法、電沉積修復法等[5]。

1.1 激光修復技術

激光修復技術利用激光輻射將放置在受損區(qū)的材料與金屬構件表層快速融化，繼而迅速凝固形成貼合緊密的表面填充層。相比于其他修復技術，在高能激光作用下金屬材料融化和凝固的速度極快，被修復工件的熱影響區(qū)域小，結構變形量小，結合強度高。控制激光的相關參數和限定輻射區(qū)域，可精確修復一些精密構件難以抵達的區(qū)域，從而提高修復效率，擴大應用范圍，但該方法對設備本身的要求較高。

1.2 粘接修復技術

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

1.3 焊接修復技術

焊接修復技術利用熔點低于金屬構件母材的填充釬料連接受損零件或填補缺陷，適用于碳鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等材質的零件以及不同金屬材質的零件。因焊接區(qū)域局部高溫，為防止零件熱變形，以取得較好的修復質量，應進行焊修預熱、焊接過程中保溫和焊后熱處理退火等，工藝相對復雜。同時，釬劑與母材材料不同，某些功能器件在使用過程中存在電位差和熱配適性等問題。

1.4 精密金屬構件電沉積修復技術

電沉積修復技術是一種基于金屬離子堆積的填充修復技術，在外加電源電勢的驅動下，陽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，經過結晶生成電沉積層，從而精密修復工件局部損傷，如圖1所示。

圖1 電沉積修復技術原理圖

2 電沉積修復波導組合關鍵技術

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

圖2 銅質波導組合設計效果圖

采用電沉積技術修復波導組合的工藝流程主要有表面預處理、絕緣防護處理、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合力、未損傷表面高效絕緣防護及制備致密電沉積層是精密修復技術需解決的技術難點。

圖3 波導組合精密修復基本流程

2.1 提高電沉積修復層結合力

電沉積修復層與波導組合基體的結合力是修復成敗的重要標志，結合力不良表現(xiàn)在沉積層與基體結合界面發(fā)生剝離以及沉積層之間發(fā)生剝離現(xiàn)象。為增強基底與電沉積層之間的結合力，進行了以下優(yōu)化:

本文整體懸掛式鋼內筒煙囪的設計模型是僅外筒接地，內筒整體懸掛于懸吊平臺上，懸吊平臺支撐于外筒上，因而計算傳給基礎荷載的時候只需要考慮外筒底部的荷載數據[4]。整體模型下底部支座荷載數據如表3所示。

1)前處理表面活化。活化前處理是獲得良好結合力鍍層的關鍵。本研究將草酸(H2C2O4)溶液的pH值調節(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_到類似粗化效果的外觀，以增加沉積層與基底的結合力。

2)小電流預沉積。在電沉積修復工作的起始階段，先以0.5 A/dm2的較小電流密度預沉積一段時間，當表面離子沉積形成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。

3)真空退火處理。電沉積結束后，增加了真空退火工序，將電沉積后的波導組合直接放入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力，減小變形和裂紋傾向，從而提高修復材料與基底的結合強度。

2.2 波導組合局部絕緣防護

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，需對波導組合損傷區(qū)域周邊進行有效防護。絕緣防護措施要求有一定結合力，耐腐蝕，易清除，對電解質溶液無污染等。本文研究的措施如下：

1)封蠟絕緣處理。選用中溫熔點蠟Aerowax MT進行局部絕緣處理。該材質在室溫下呈固態(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見表1。

表1 Aerowax MT理化性能參數

2)仿形防護夾具。在封蠟絕緣的基礎上，根據被修復波導組合的結構特征和待修復區(qū)域的具體位置，設計專用仿形防護夾具，十字凹槽與腔內筋板過盈配合，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部后在工件表面形成多余的電沉積層。

圖4 波導組合電沉積修復防護夾具設計

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

2.3 波導組合電沉積修復工藝

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

表2 硫酸銅電解液體系組分

采用正負雙脈沖電源進行電沉積，其中負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。電沉積過程中施以陰極移動和循環(huán)過濾，以增強離子傳質，保證溶液的潔凈度。

圖5 正負雙脈沖電流波形圖

3 電沉積技術在波導組合修復中的應用

某型雷達產品的銅質波導組合內腔表面受到損傷，直接影響到電訊性能，使該構件面臨報廢， 如圖6所示。

圖6 受損波導組合實物圖

進行電沉積修復前，需對受損區(qū)域進行預處理，包括鍍銀層去除、清洗及表面活化。通過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，對表面進行活化處理，以提高修復層與母材的結合強度。經過局部涂蠟及聚四氟乙烯仿形工裝防護后放入電解液中，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，正負雙脈沖電源峰值設為3 A/dm2，如圖7所示。

圖7 波導組合受損局部電沉積修復

根據法拉第第一電解定律，陰極電沉積的金屬質量為：

M=ηkIt

(1)

式中：η是電流效率；k是金屬的電化當量；I是電流強度；t是電流通過時間。

根據電沉積的金屬質量和密度可以得出金屬的體積：

V=M/ρ=ρSδ

(2)

式中：S是受損修復區(qū)域面積；ρ是金屬密度；δ是電沉積修復層厚度。

由式(1)和(2)可得電沉積修復層的厚度：

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，銅的電化當量為2，根據損傷的面積及深度，可推算出最少電沉積時間。所修復的波導組合在不間斷通電24 h后斷開電源，將波導組合從電解液中取出，獲得所需厚度的電沉積層。

電沉積過程存在尖端放電效應，在表面形成積瘤等多余結構，需銑削加工去除。合理設置轉速及切削量，同時防護其他表面不受損傷，如圖8(a)所示。最后進行局部電鍍處理，對電沉積修復的銅層表面按設計要求鍍鎳、鍍銀，如圖8(b)所示。

圖8 波導組合電沉積修復后處理

對修復后的波導組合進行尺寸測量和電訊復測，各項指標及環(huán)境適應性滿足設計要求，受損波導組合得以重新裝機使用。

4 結束語

開展電沉積精密修復技術專題研究，解決了提高電沉積層與基體結合力、局部高效絕緣防護和致密銅沉積層制備難題，成功修復了受損的銅質波導組合。該方法簡單可靠，成形精度高，修補材料與母材一致，可消除異種材料熱匹配及電位差影響。該修復關鍵技術可推廣應用于類似產品。