基于电沉积的波导组合精密修复技术研究*

周 华，吕 辉，顾 平

(南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

引 言

雷达设备馈线系统中的波导组合是一种结构复杂、尺寸精度高、内表面质量要求高的精密金属构件，其功能是传输、控制和分配射频电磁信号，具有小驻波、低损耗、大功率等特点[1-2]。

随着雷达结构和电性能要求的不断提高，波导组合器件的形状越来越复杂，精度越来越高，通常需采用特种加工方法成形，成本高，周期长，属于射频微波系统中的关重件和长线件。铜质波导组合比重大，材质较软，在周转、加工及装配过程中易出现划痕、碰伤等问题，直接影响电讯性能。

电沉积技术是利用原子沉积原理制造零件的精密特种加工方法，可以看作是金属原子在阴极表面的“堆积”过程，成形的电沉积层能够非常精确地填充阴极形貌及其细微结构[3-4]。基于电沉积的修复技术具有填充精度高、材料性能可控、适应性广、成本相对较低等优势。

本文对各种金属器件的修复技术进行了综合对比，对铜质波导组合电沉积修复技术的关键点展开了研究，并结合案例阐述了电沉积技术在波导组合精密修复中的实际应用。

1 精密金属构件的常用修复技术

精密金属构件的修复应遵循工艺合理、经济性好、效率高、生产可行的原则，常用的修复方法有激光修复法、粘接修复法、焊接修复法、电沉积修复法等[5]。

1.1 激光修复技术

激光修复技术利用激光辐射将放置在受损区的材料与金属构件表层快速融化，继而迅速凝固形成贴合紧密的表面填充层。相比于其他修复技术，在高能激光作用下金属材料融化和凝固的速度极快，被修复工件的热影响区域小，结构变形量小，结合强度高。控制激光的相关参数和限定辐射区域，可精确修复一些精密构件难以抵达的区域，从而提高修复效率，扩大应用范围，但该方法对设备本身的要求较高。

1.2 粘接修复技术

粘接修复法利用粘接剂对金属构件的断裂、缺陷部位进行修补，方便快捷。随着胶粘剂性能的不断提升，粘接修复法的粘接强度大，能粘接各种金属材料及不同材质的零件。粘接修复在常温下成形，不会引起热应力变形，工艺简便，密封性好，具有耐油、耐水、耐酸碱腐蚀等优点，但粘接修复的零件一般无法承受高温，抗冲击能力差，不适用于局部磕碰磨损的修复。

1.3 焊接修复技术

焊接修复技术利用熔点低于金属构件母材的填充钎料连接受损零件或填补缺陷，适用于碳钢、铸铁、有色金属及其合金等材质的零件以及不同金属材质的零件。因焊接区域局部高温，为防止零件热变形，以取得较好的修复质量，应进行焊修预热、焊接过程中保温和焊后热处理退火等，工艺相对复杂。同时，钎剂与母材材料不同，某些功能器件在使用过程中存在电位差和热配适性等问题。

1.4 精密金属构件电沉积修复技术

电沉积修复技术是一种基于金属离子堆积的填充修复技术，在外加电源电势的驱动下，阳极板金属原子失去电子成为金属离子溶入电解液中，在与阴极连接的受损工件表面，金属离子得到电子被还原成金属原子，经过结晶生成电沉积层，从而精密修复工件局部损伤，如图1所示。

图1 电沉积修复技术原理图

2 电沉积修复波导组合关键技术

铜质波导组合由端面法兰、侧边法兰、阶梯腔体及十字肋板组成。其中，十字肋板及内腔表面共同构成电磁波传输通道，该区域尺寸精度要求较高，如图2所示。

图2 铜质波导组合设计效果图

采用电沉积技术修复波导组合的工艺流程主要有表面预处理、绝缘防护处理、电沉积、后处理等，如图3所示。其中，提高电沉积层与基体的结合力、未损伤表面高效绝缘防护及制备致密电沉积层是精密修复技术需解决的技术难点。

图3 波导组合精密修复基本流程

2.1 提高电沉积修复层结合力

电沉积修复层与波导组合基体的结合力是修复成败的重要标志，结合力不良表现在沉积层与基体结合界面发生剥离以及沉积层之间发生剥离现象。为增强基底与电沉积层之间的结合力，进行了以下优化:

本文整体悬挂式钢内筒烟囱的设计模型是仅外筒接地，内筒整体悬挂于悬吊平台上，悬吊平台支撑于外筒上，因而计算传给基础荷载的时候只需要考虑外筒底部的荷载数据[4]。整体模型下底部支座荷载数据如表3所示。

1)前处理表面活化。活化前处理是获得良好结合力镀层的关键。本研究将草酸(H2C2O4)溶液的pH值调节至4 ～ 5之间，浸蚀基底损伤部位10 ～ 15 min，除去表面的残留污物及氧化膜，以保证除油效果良好。活化处理后工件表面达到类似粗化效果的外观，以增加沉积层与基底的结合力。

2)小电流预沉积。在电沉积修复工作的起始阶段，先以0.5 A/dm2的较小电流密度预沉积一段时间，当表面离子沉积形成10 ～ 20 μm厚贴合紧密的金属膜后，再改以3 A/dm2的正常电流密度施以沉积修复。

3)真空退火处理。电沉积结束后，增加了真空退火工序，将电沉积后的波导组合直接放入220 ℃高温马弗炉中，保温1～1.5 h后随炉冷却至室温。增加退火处理工序能有效减小沉积层的残余应力，减小变形和裂纹倾向，从而提高修复材料与基底的结合强度。

2.2 波导组合局部绝缘防护

为了避免周边区域生成电沉积层，影响尺寸精度，增加后处理难度，需对波导组合损伤区域周边进行有效防护。绝缘防护措施要求有一定结合力，耐腐蚀，易清除，对电解质溶液无污染等。本文研究的措施如下：

1)封蜡绝缘处理。选用中温熔点蜡Aerowax MT进行局部绝缘处理。该材质在室温下呈固态，组织紧密，绝缘性好，防湿密封，受力后变形不易碎裂，其主要理化性能参数见表1。

表1 Aerowax MT理化性能参数

2)仿形防护夹具。在封蜡绝缘的基础上，根据被修复波导组合的结构特征和待修复区域的具体位置，设计专用仿形防护夹具，十字凹槽与腔内筋板过盈配合，以保证良好的密封性，如图4所示。在通电之前先在夹具腔内灌入一定量的蒸馏水，起到稀释电解液的作用，避免少量电解液渗入夹具内部后在工件表面形成多余的电沉积层。

图4 波导组合电沉积修复防护夹具设计

电解液洁净度对电沉积层的质量影响较大。防护夹具直接与电解液接触，为确保不给电解溶液带来杂质及其他金属离子污染，它采用性能稳定、绝缘性好、对电解质溶液无污染的聚四氟乙烯材料铣削成形。

2.3 波导组合电沉积修复工艺

电沉积铜溶液配方选用应力较小的硫酸铜盐体系。它成分相对简单、稳定，易于维护，可采用较高的电流密度提高电沉积速度，优化的组分见表2。在溶液中添加少量的乙基己基磺酸钠作为湿润剂，以减少表面析出气体吸附产生的气孔，得到表面良好的沉积层。

表2 硫酸铜电解液体系组分

采用正负双脉冲电源进行电沉积，其中负向脉冲有利于去除阴极表面的毛刺，减小浓差极化，改善沉积层厚度的不均匀性。正脉冲平均电流密度为3 A/dm2，占空比为80%；负向脉冲平均电流密度为1 A/dm2，占空比为20%，如图5所示。电沉积过程中施以阴极移动和循环过滤，以增强离子传质，保证溶液的洁净度。

图5 正负双脉冲电流波形图

3 电沉积技术在波导组合修复中的应用

某型雷达产品的铜质波导组合内腔表面受到损伤，直接影响到电讯性能，使该构件面临报废， 如图6所示。

图6 受损波导组合实物图

进行电沉积修复前，需对受损区域进行预处理，包括镀银层去除、清洗及表面活化。通过钳工打磨去除受损局部镀银层后用去离子水洗净，然后用草酸溶液擦拭该区域，对表面进行活化处理，以提高修复层与母材的结合强度。经过局部涂蜡及聚四氟乙烯仿形工装防护后放入电解液中，控制浸入深度，确保待沉积区域与电解液充分接触，接入电铸电源阴极。电解液主要成分为CuSO4·5H2O和H2SO4，溶液的pH值控制在3.8 ～ 4.0之间，温度控制在25 ℃左右，正负双脉冲电源峰值设为3 A/dm2，如图7所示。

图7 波导组合受损局部电沉积修复

根据法拉第第一电解定律，阴极电沉积的金属质量为：

M=ηkIt

(1)

式中：η是电流效率；k是金属的电化当量；I是电流强度；t是电流通过时间。

根据电沉积的金属质量和密度可以得出金属的体积：

V=M/ρ=ρSδ

(2)

式中：S是受损修复区域面积；ρ是金属密度；δ是电沉积修复层厚度。

由式(1)和(2)可得电沉积修复层的厚度：

δ=ηkIt/ρS=ηkjkt/ρ

(3)

式中：jk为拟合后的平均电流密度。

电流效率推荐值为0.85，铜的电化当量为2，根据损伤的面积及深度，可推算出最少电沉积时间。所修复的波导组合在不间断通电24 h后断开电源，将波导组合从电解液中取出，获得所需厚度的电沉积层。

电沉积过程存在尖端放电效应，在表面形成积瘤等多余结构，需铣削加工去除。合理设置转速及切削量，同时防护其他表面不受损伤，如图8(a)所示。最后进行局部电镀处理，对电沉积修复的铜层表面按设计要求镀镍、镀银，如图8(b)所示。

图8 波导组合电沉积修复后处理

对修复后的波导组合进行尺寸测量和电讯复测，各项指标及环境适应性满足设计要求，受损波导组合得以重新装机使用。

4 结束语

开展电沉积精密修复技术专题研究，解决了提高电沉积层与基体结合力、局部高效绝缘防护和致密铜沉积层制备难题，成功修复了受损的铜质波导组合。该方法简单可靠，成形精度高，修补材料与母材一致，可消除异种材料热匹配及电位差影响。该修复关键技术可推广应用于类似产品。