镁合金材料在T/R组件中的应用研究

吕慎刚，秦 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

镁合金材料在T/R组件中的应用研究

镁合金材料具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性好、电磁屏蔽性能优异、切削加工性好等优点，为轻量化T/R组件的研制提供了思路。文中以某T/R组件为例，介绍了T/R组件的组成、镁合金材料特性、表面防护以及在T/R组件上的适应性设计。设计出的T/R组件通过实物样件进行了验证，并和铝合金材料的T/R组件进行了对比，结果表明，该设计使T/R组件的轻量化程度有较大提高，且能够满足T/R组件的性能要求。

镁合金; T/R组件; 表面防护; 适应性设计

引 言

随着有源相控阵雷达的不断发展，轻量化、小型化的需求日益增长，T/R组件也不断向模块化、轻小型化、一体化等方向发展，尤其是在星载、机载等领域，对T/R组件的重量也提出了越来越高的要求[1]。镁合金材料由于具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性好、电磁屏蔽性能优异、切削加工和热成型性好等优点，已作为结构构件在汽车、电子工业、航空航天、国防军工等部门获得了广泛的应用[2-3]。镁合金材料的应用为轻量化T/R组件的研制提供了思路，目前已在一些微波器件上尝试应用镁合金材料。本文以某T/R组件为例，介绍了T/R组件的组成、镁合金材料特性、表面防护以及在T/R组件上的适应性设计。设计出的T/R组件通过实物样件进行了验证，并和铝合金材料的T/R组件进行了对比，结果表明，该设计使T/R组件的轻量化程度有较大提高，且能够满足T/R组件的性能要求。

1 T/R组件的组成与适应性设计

T/R组件随系统性能要求各有不同，具体电路的复杂程度也有很大差异。一般而言，T/R组件由多个电路和器件优化组合而成，其中，发射通道包含单级或多级功率放大器，接收通道包含衰减器、限幅器和低噪声放大器，收发通道共用的部分包括环行器、收发开关、移相器、控制电路等[4-5]。为了获得良好的性能和稳定可靠地工作，还可能增加其它的功能电路。文中讨论的T/R组件为单通道组件，其原理框图如图1所示。

图1 T/R组件原理框图

T/R组件设计是在有限的空间和重量条件下将本来相互孤立、联系松散或不同模块的若干系统紧紧融合起来，整合成一个有机整体。金属材料在T/R组件上作为封装材料使用，主要应用于壳体、盖板等结构件，它们为T/R组件的各种模块提供安装支撑，同时也为各模块提供合适的工作环境(如冷却、接地、电磁屏蔽等)。由于课题中使用的铝合金材料T/R组件的重量不能满足指标要求，因此T/R组件轻量化设计方案采用镁合金材料代替铝合金，并根据其对材料的要求以及自身的结构特点进行适应性设计，包括材料选择、表面处理和结构设计等。

2 材料选择

镁合金材料具有很多优点，密度为1.74～1.85 g/cm3，比铝合金轻33%左右，有较高的比强度和比刚度，采用镁合金可以有效减轻结构重量。镁及镁合金可用铸造与机械加工等方法制成各种产品，且具有优良的切削加工性能。另外，它还具有优良的阻尼性、电磁屏蔽性、减振性。但镁合金容易氧化燃烧，耐蚀性差，常温力学性能较差，高温强度低及蠕变性能差，这些缺点限制了镁合金的发展和应用。因此，一些镁合金新材料和新工艺受到关注，得到研发，并逐步应用到了工程实践中[3，6-7]。

铝合金材料已经广泛应用于微波器件，表1给出了几种常用牌号的铝合金材料和镁合金材料的部分物理性能。

表1 部分镁合金与铝合金材料性能

选择镁合金材料需要综合考虑材料的加工性能、力学性能、导热性能以及导电性能，同时基于小批量的应用需求，材料主要考虑变形镁合金，其中，变形镁合金MB8就具有较好的综合性能，是一种比较好的选择。

3 表面防护

镁的化学性质十分活泼，极易与氧气、水等发生反应而生成致密度系数较低的一层非金属膜,与铝合金不同，这层膜不能阻止氧等气体的进一步反应，对金属基体起不到有效的保护作用。另外，镁的标准电极电位是常用金属结构材料中最低的，当与其它金属接触时，易发生电偶腐蚀而加速腐蚀，这些都成为限制镁合金应用的关键问题。为了进一步提高镁合金的使用性能，扩大镁合金的应用范围，进行适当的表面处理以提高其耐蚀性也是一种有效的方法。目前所采用的处理措施主要有化学氧化、阳极氧化、微弧氧化、有机涂层、金属涂层等[6-10]。

化学氧化处理与阳极氧化处理在镁合金表面形成的氧化膜的防蚀能力优于自然氧化膜，但由于膜层空隙大，分布不均匀，一般只作为涂装前处理，还需进行充填等后处理，而有机涂层就是一种有效的后处理方法。在镁合金经过表面处理之后涂上有机涂层可以加强保护，起到屏蔽、钝化缓蚀和电化学保护作用，是提高镁合金耐腐蚀性能的一种比较成熟的工艺方法。

微弧氧化处理生成的膜层综合性能优良，与阳极氧化膜相比，微弧氧化膜的空隙小，空隙率低，与基质结合紧密，在耐蚀、耐磨性能等方面得到了很大的提高，可作为镁合金最终的防护措施，是一种具有发展潜力的镁合金表面处理技术。由于镁合金微弧氧化膜不导电，在需导电的应用场合还必须进行导电化处理。

镁合金也可用金属涂层加以保护，通常采用化学镀的方法在其表面镀上金属。化学镀最大的优点在于可以在形状复杂的样品，特别在孔洞及深凹处获得厚度均匀的镀层。目前已应用于镁合金的化学镀层主要有化学镀镍、Ni/Au、Cu/Ni/Cr等。化学镀镍所得镀层具有良好的力学性能、耐蚀性和可焊性，而且可以深入到器件的小孔内部，适合要求严格的航天器部件。镁合金化学镀镍后，可以根据需要在其表面镀上其它耐蚀金属。

T/R组件壳体需要有较好的导电能力，同时为了减重，在该设计中减少了螺钉连接而采用焊接形式固定器件，因此表面还需要有较好的可焊性。镁合金壳体表面最终处理采用的是化学镀镍，既可满足组件壳体的复杂形状，也弥补了镁合金电阻率比铝合金大的不足(微波的趋肤效应)。为验证壳体表面化学镀镍的可焊性和耐腐蚀能力，前期加工了试样进行焊接工艺试验和盐雾试验验证，如图2和图3所示，结果满足要求。由于镁合金材料表面易氧化腐蚀，镁合金在加工、热处理过程中也需进行表面防护。

图2 焊接试验试样

图3 盐雾试验试样

4 结构设计

T/R组件壳体是典型的壳体类结构零件，腔内结构较复杂，内有深度不同的腔体，并有厚度较薄的隔墙隔离，有深度和直径不同的孔，用于安装各种连接器和模块，因此结构设计时需要考虑T/R组件壳体的加工工艺性[5]。由于镁合金强度偏低，耐蚀性差，一般不在镁合金零件基体上直接加工螺纹，而是在基体上镶嵌强度较高的过渡金属，较简单的方式就是加装不锈钢钢丝螺套，同时在螺套底孔内涂一层环氧树脂，既防止腐蚀，又可以保证连接牢固。在其它材料选择上要尽量减少异种金属与镁合金的电化学差异，这样可以在很大程度上减轻电偶腐蚀。同时为了提高镁合金零件的机械性能和消除零件加工后的残余应力，还需对零件进行热处理。

图4 T/R组件壳体温度分布

T/R组件中包含功率管等热源，有资料表明，功率管过热是引起管子损坏、T/R组件失效、雷达性能下降的重要原因之一，因此还需要对T/R组件进行热设计[11]。镁合金MB8的热导率小于铝合金，所以图4给出了2种材料在相同工况下的壳体温度分布(温控板温度取50 ℃，并对壳体进行了适当的简化处理)。

从图4可以看出，2种壳体只有1.8 ℃的温差(对应底板厚度4.5 mm)，表明使用镁合金材料对壳体温度的影响不大。此外，根据仿真结果并考虑2个环节的接触热阻，可以计算出使用镁合金时管子的结温：54.6+25 × 0.6+125 × 0.2 = 94.6 ℃<110 ℃，满足管子Ⅰ级降额设计要求(功率管峰值热耗为125 W，最大占空比为20%，管子平均热耗25 W，功率管结壳热阻按照0.2 ℃/W，总接触热阻按0.6 ℃/W计算)。

5 镁合金在T/R组件上的应用实践

根据适应性设计的要求，综合考虑T/R组件的材料、表面处理以及结构设计等问题，设计出了T/R组件实物，如图5所示，同时还加工了对比用铝合金材料的T/R组件。设计的T/R组件呈砖形结构，本体尺寸为178 mm × 52 mm × 20 mm，重量为370 g，满足重量小于400 g的指标要求，相比于铝合金T/R组件，其减重达16%。同时实测发现，2种组件的管壳温度相差不大，与仿真结果一致。此外，还对比了2种T/R组件的接收增益、噪声系数等相关电性能指标，均能满足设计指标要求。为使该方案能够工程化，下一步工作是对T/R组件的长期可靠性进行进一步的验证。

图5 T/R组件实物外形

6 结束语

文中介绍了T/R组件的组成、镁合金材料的特性、表面防护以及在T/R组件上的适应性设计。设计出的T/R组件通过实物样件进行了验证，并和铝合金材料的T/R组件进行了对比，结果表明，该设计使T/R组件的轻量化程度有较大提高，且能够满足T/R组件的性能要求，具有一定的工程价值。针对T/R组件等微波组件的轻量化发展需求，镁合金具有极大的优势。随着镁合金在实际应用中加工成型、表面防护等问题的相继解决，它在相关领域的应用前景将非常广阔。

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吕慎刚(1979-)，男，工程师，主要从事微波结构设计工作。

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

吕慎刚，秦 超

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

TG146.22

A

1008-5300(2013)04-0055-03