(西南電子技術(shù)研究所 工程設(shè)計(jì)中心，四川 成都 610036)

0 引言

鎂合金作為一種金屬材料，與其它金屬材料相比，鎂合金具有：重量輕、比強(qiáng)度比剛度高、阻尼性能好、良好的電屏蔽性、易切削加工等顯著特點(diǎn)[1-2]。正是鎂合金具有上述優(yōu)異的性能，因而其在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

雖然鎂合金具有重量輕、易加工等特點(diǎn)，但是它在電子設(shè)備中應(yīng)用面臨著一個(gè)急需解決的問題：耐蝕性差，容易在鹽霧及濕熱環(huán)境中發(fā)生腐蝕。鎂的電極電位極低，化學(xué)性質(zhì)活潑，表層鈍化膜疏松多孔、脆性大，因而極易發(fā)生腐蝕而影響其壽命，從而限制了鎂合金的廣泛應(yīng)用[3-4]。為了提高鎂合金的耐腐蝕性能，一般采用化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化和涂漆等表面處理方法，起到一定的防護(hù)效果，但耐蝕性、耐磨性不夠理想[5]。

單一的表面處理后鎂合金表面氧化膜致密性不夠，不能滿足耐腐蝕性要求。本文在綜合各種表面處理的優(yōu)劣，結(jié)合航空電子設(shè)備結(jié)構(gòu)需求，采用微弧氧化、噴漆、Parylene氣相沉積工藝相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種通過GJB150A鹽霧96 h試驗(yàn)考核的軍用電子產(chǎn)品。

1 鎂合金材料表面防護(hù)工藝

1.1 微弧氧化工藝

微弧氧化采用較高電壓將工作區(qū)域由普通陽極氧化法拉第區(qū)引入高壓放電區(qū)，在鎂合金表面原位生長一層與基體結(jié)合力強(qiáng)的氧化鎂膜，膜層致密性和硬度比一般陽極氧化有顯著提高，具有耐磨、耐蝕、絕緣、抗高溫沖擊、成膜快、膜層質(zhì)量高等特性。

1.2 Parylene氣相沉積工藝

Parylene是對(duì)苯撐二甲基聚合物的注冊(cè)商標(biāo)名，它的原料是對(duì)苯撐二甲基二聚體。這種室溫沉積制備的0.1～100Wμm薄膜涂層，厚度均勻、致密無針孔、 透明無應(yīng)力，不含助劑、不損傷工件、有優(yōu)異的電絕緣性和防護(hù)性[6]。

1.3 噴涂氟聚氨酯磁漆

鎂合金耐腐蝕性能與其表面的防護(hù)層的致密程度聯(lián)系緊密，因此可選擇在產(chǎn)品外表面進(jìn)行涂裝處理。本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用黑色無光氟聚氨酯磁漆進(jìn)行處理，其外觀等級(jí)為二級(jí)。

2 鎂合金AZ91D單獨(dú)零件的鹽霧試驗(yàn)

針對(duì)不同的工藝，對(duì)鎂合金材料的不同表面處理工藝開展了一系列獨(dú)立零件的鹽霧摸索試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的材料均采用鎂合金AZ91D材料。鎂合金AZ91D的試驗(yàn)條件根據(jù)GJB150.11A中的間斷噴霧試驗(yàn)條件進(jìn)行開展，鹽霧試驗(yàn)周期96 h。試驗(yàn)條件為：交替進(jìn)行的24 h噴鹽霧和24 h干燥兩種狀態(tài)共96 h(2個(gè)噴霧濕潤階段和2個(gè)干燥階段)的試驗(yàn)程序。

本次樣件的腐蝕情況依據(jù)“GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)》”進(jìn)行評(píng)級(jí)判定。獨(dú)立零件鹽霧試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 先微弧氧化后油漆樣件

圖1 先微弧氧化后油漆樣件試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)件的外表面和基材無明顯腐蝕，如圖1。僅螺紋出現(xiàn)表面點(diǎn)蝕，腐蝕未擴(kuò)展到基體金屬。按GB/T6461-2002中外觀評(píng)級(jí)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)為輕度。因此，單獨(dú)零件在微弧氧化和油漆的復(fù)合表面處理工藝后，其外表面生成的氧化膜可通過96 h鹽霧試驗(yàn)考核。

2.2 先鈍化后油漆樣件

圖2 先鈍化后油漆樣件的試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)樣件在直接承受鹽霧沉降表面出現(xiàn)大面積點(diǎn)蝕，腐蝕已經(jīng)擴(kuò)展到基體金屬，基材顏色也由銀色變?yōu)榘咨鐖D2。由此可見，單獨(dú)零件在此次先鈍化后油漆的工藝條件下其表面出現(xiàn)大面積點(diǎn)蝕，不能通過96 h鹽霧試驗(yàn)。

2.3 先化學(xué)鍍鎳后油漆

圖3 先鍍鎳后油漆樣件的試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)樣件表面的油漆出現(xiàn)剝落，基體金屬出現(xiàn)碎落，如圖3。由此可見，單獨(dú)零件在此次先鈍化后油漆的工藝條件下形成的氧化膜比較疏松容易脫落，其表面覆蓋層出現(xiàn)剝落和起皮，不能通過96 h鹽霧試驗(yàn)。

2.4 表面進(jìn)行激光刻字處理樣件

圖4 零件激光刻字處試驗(yàn)結(jié)果

刻字處出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，刻字處出現(xiàn)剝落，基體出現(xiàn)凹坑缺陷，如圖4。激光刻字的標(biāo)識(shí)方式因?yàn)樵诒砻嫣幚硗瓿珊筮M(jìn)行，激光刻字破壞其已經(jīng)形成的連續(xù)氧化膜，導(dǎo)致刻字處的基材暴露在鹽霧環(huán)境下，從而不能通過96 h鹽霧試驗(yàn)。

通過上述單獨(dú)零件的鹽霧試驗(yàn)表明：單獨(dú)零件在先微弧氧化后油漆的復(fù)合表面處理方式下可通過GJB150A中規(guī)定的96 h鹽霧試驗(yàn)考核。

3 鎂合金電子設(shè)備防腐蝕性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與鎂合金單獨(dú)零件相比，鎂合金電子設(shè)備還會(huì)出現(xiàn)電偶腐蝕和間隙腐蝕的情況，因此，鎂合金電子設(shè)備的設(shè)計(jì)時(shí)還需避免出現(xiàn)電偶腐蝕和間隙腐蝕。

3.1 防腐蝕設(shè)計(jì)基本原則

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)鎂合金腐蝕理論，總結(jié)了如下鎂合金電子設(shè)備結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)的基本原則：

1)采用封閉結(jié)構(gòu)形式或者階梯縫隙的方式連接不同結(jié)構(gòu)件，防止內(nèi)外氣體介質(zhì)的自由對(duì)流；

2)結(jié)構(gòu)特征盡量簡單，外棱邊倒圓處理，以免表面處理質(zhì)量不穩(wěn)定造成耐蝕性下降；

3)異種金屬之間不能簡單連接，接縫處需采用隔離設(shè)計(jì)或密封設(shè)計(jì)，防止電化學(xué)腐蝕。

3.2 試驗(yàn)件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種鎂合金材質(zhì)的試驗(yàn)樣件。該試驗(yàn)盒體由六個(gè)鎂合金板材組裝而成，其內(nèi)裝有印制板。具體結(jié)構(gòu)如圖5。

在常規(guī)的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，各種設(shè)計(jì)都比較隨意。但在鎂合金的設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)考慮惡劣環(huán)境中由于縫隙吸附效應(yīng)引發(fā)的縫隙腐蝕，設(shè)備接縫不應(yīng)采用豎直縫隙，防止重力作用下縫隙吸附效果增強(qiáng)和電解質(zhì)溶液堆積，以致滲漏設(shè)備內(nèi)部。試驗(yàn)設(shè)備的縫隙設(shè)計(jì)如圖6。

圖6 電子設(shè)備縫隙設(shè)計(jì)

鎂合金基材直接與不銹鋼螺釘接觸，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)電化學(xué)腐蝕。在設(shè)計(jì)螺紋連接時(shí)，可采用螺套進(jìn)行過渡連接。在螺釘類型的選擇上，禁止采用沉頭螺釘連接與鎂合金材料配合。

3.3 試驗(yàn)樣件制作工藝過程

該試驗(yàn)盒體的制作工藝過程如圖 7所示。鎂合金材料化學(xué)性質(zhì)活潑的特殊性，在制作過程中需要注意防腐蝕、防自燃等問題。零件在裝配過程中嚴(yán)禁與其他金屬或?qū)щ姀?fù)合材料直接接觸，并且應(yīng)佩戴潔凈的醫(yī)用乳膠手套。

圖7 試驗(yàn)件工藝過程

4 鹽霧試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)第三節(jié)提出的鎂合金AZ91D鹽霧試驗(yàn)條件對(duì)四個(gè)樣件進(jìn)行96 h鹽霧試驗(yàn)。在四個(gè)樣件結(jié)構(gòu)形式相同的條件上，因?yàn)楣に囂幚矸绞胶头胖梅绞讲灰恢拢謩e在同樣條件下進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。樣件一和樣件二僅外表面作Parylene處理，樣件三和樣件四內(nèi)外表面都作Parylene處理；樣件一和樣件三擺放時(shí)前蓋板在上，樣件二和樣件四后蓋板在上。

圖8 樣件一鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 圖9 樣件二鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

圖10 樣件三鹽霧試驗(yàn)結(jié)果 圖11 樣件四鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

圖12 Parylene膜撕裂處放大圖

試驗(yàn)完成后，四個(gè)樣件的效果如圖 8-圖 11所示，對(duì)四個(gè)試驗(yàn)樣件進(jìn)行外觀評(píng)級(jí)，得出如下結(jié)論：四個(gè)試驗(yàn)件外表面經(jīng)肉眼觀察未出現(xiàn)明顯腐蝕，僅6處Parylene膜出現(xiàn)輕微破壞，和兩處Parylene膜出現(xiàn)撕裂(圖12)，但是Parylene膜下面的油漆層和微弧氧化層都是完好狀態(tài)，基體金屬也未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

此次試驗(yàn)也驗(yàn)證了該復(fù)合表面處理抗電偶腐蝕和間隙腐蝕的能力。接觸電偶腐蝕取決于電極電位差。兩種接觸金屬的電極電位差越大，則電極電位低的金屬腐蝕越快。對(duì)于一般良好環(huán)境使用的金屬，電位差應(yīng)≤0.4 V；海洋惡劣環(huán)境的電位差應(yīng)≤0.25 V。不銹鋼與鎂的電位差為1.93 V，容易發(fā)生電偶腐蝕。在經(jīng)過復(fù)合表面處理后，設(shè)備表面形成致密的氧化膜，該氧化膜降低了異種金屬間的電位差，從而避免了電偶腐蝕的情況。

不銹鋼螺釘和不銹鋼平墊與鎂合金表面的間隙小于0.5 mm，兩者容易產(chǎn)生間隙腐蝕。Parylene氣相沉積在設(shè)備裝配完成后進(jìn)行，在不銹鋼螺釘和鎂合金之間容易形成連續(xù)的Parylene膜。在Parylene膜的保護(hù)作用下，在不銹鋼螺釘與鎂合金材料產(chǎn)生的縫隙處并未出現(xiàn)電偶腐蝕，如圖13。

對(duì)四個(gè)試驗(yàn)樣件的基體金屬進(jìn)行觀察，樣件內(nèi)部基體金屬未出現(xiàn)腐蝕情況，僅1個(gè)螺紋內(nèi)部出現(xiàn)表面點(diǎn)蝕，腐蝕未擴(kuò)展到基體金屬，其它螺紋內(nèi)部的金屬基體未出現(xiàn)腐蝕，如圖 14和圖 15。該螺紋內(nèi)部沒出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕可證明鹽霧并沒有直接沉降到螺紋內(nèi)部，螺紋的密封性較好。螺紋出現(xiàn)點(diǎn)蝕大概率是在鹽霧試驗(yàn)前， 盒體零件在加工或者裝配過程中可能已經(jīng)出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

此次試驗(yàn)表明，在采用微弧氧化、噴漆和Parylene氣相沉積復(fù)合工藝表面處理并且進(jìn)行防腐性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電子設(shè)備，成功通過GJB150.11A中規(guī)定的96 h鹽霧試驗(yàn)考核。

5 結(jié)束語

鎂合金單獨(dú)零件通過微弧氧化、噴漆復(fù)合和Parylene氣相沉積復(fù)合表面工藝技術(shù)處理后形成致密的絕緣保護(hù)膜，其鍍涂層經(jīng)過GJB150.11A中規(guī)定的96 h鹽霧試驗(yàn)后，并未出現(xiàn)腐蝕。

根據(jù)單獨(dú)零件鹽霧試驗(yàn)結(jié)果，筆者有針對(duì)性地開展了鎂合金材料電子設(shè)備的防腐蝕性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)樣件的外表面通過微弧氧化、噴漆和Parylene氣相沉積復(fù)合工藝技術(shù)處理后形成致密的絕緣保護(hù)膜，在經(jīng)過GJB150.11A中規(guī)定的96 h鹽霧試驗(yàn)后，試驗(yàn)件并未出現(xiàn)基體腐蝕的情況。

鎂合金電子設(shè)備試驗(yàn)件雖然通過了96 h鹽霧試驗(yàn)考核，但其樣件出現(xiàn)局部Parylene膜開裂。后續(xù)需要進(jìn)一步優(yōu)化Parylene工藝的參數(shù)，使Parylene膜的整體性和柔韌性得到優(yōu)化。由于此次樣件外表面的復(fù)合涂層是絕緣材料合成，局部位置不能滿足電子設(shè)備導(dǎo)電的要求。在后續(xù)的研究中，可進(jìn)一步探索具有導(dǎo)電要求的防腐蝕性涂層。