艦載導(dǎo)航雷達防腐蝕設(shè)計

蔡 瀟，王 飛

(1.海裝上海局，上海 201300；2.海裝駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

腐蝕、老化和生物污損等是艦載導(dǎo)航雷達金屬材料與海洋環(huán)境相互作用，在界面處發(fā)生物理、化學(xué)變化和生化反應(yīng)而導(dǎo)致的失效現(xiàn)象。由于腐蝕與老化具備隱蔽性、緩慢性、自發(fā)性和自催化性等特點，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)金屬材料的腐蝕與老化失效在初期階段容易被忽視，而海洋環(huán)境中的潮濕與鹽霧效應(yīng)往往會加速設(shè)備的腐蝕與老化速度。因此，防腐蝕設(shè)計對于艦載電子設(shè)備尤為重要，是有效提高后者使用壽命與安全性的可行辦法。

1 概 述

如圖1所示，海洋環(huán)境帶腐蝕可劃分為海面大氣、海洋飛沫帶、海潮漲落帶、海水中與海底泥土5個部分，而艦載導(dǎo)航雷達暴露于海面大氣與海洋飛沫帶中，處于海洋腐蝕速度平均高潮線以上：在海面大氣中，艦載導(dǎo)航雷達主要受海上飛來鹽分的影響，腐蝕速度較之陸地大氣中有所加快，約為0.01～0.1 mm/a；在海洋飛沫帶中，艦載導(dǎo)航雷達直接受海水飛濺影響，有時反復(fù)干濕，并暴露于含鹽霧的空氣中形成原電池反應(yīng)，加之海水的pH值變化會加速腐蝕，因此海洋飛沫帶往往是環(huán)境腐蝕效應(yīng)最嚴重的區(qū)域，腐蝕速度約為0.3～0.5 mm/a。

圖1 海洋環(huán)境帶腐蝕速度示意圖

如圖2可知，與一般的陸地環(huán)境大氣腐蝕相比，海洋大氣與海洋飛沫帶腐蝕較快。由于海洋大氣與海洋飛沫帶環(huán)境下濕度高，艦載導(dǎo)航雷達的金屬材料表面通常存在較厚的水膜，且腐蝕速度隨著水膜厚度的增加而逐漸增大。同時，海洋環(huán)境中的雨、霧、露中的水分也以不同的方式影響相對濕度，進而影響導(dǎo)航雷達金屬材料的大氣腐蝕過程。由此可見，艦載導(dǎo)航雷達處于海洋潮濕鹽霧的惡劣環(huán)境中，腐蝕效應(yīng)較為嚴重。

圖2 腐蝕速度示意圖

國軍標GJB 403A-1998《艦載雷達通用規(guī)范》要求，艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備在相對濕度為95%、鹽霧濃度為5 mg/m3(露天)或2 mg/m3(艙室)的條件下應(yīng)能保持其規(guī)定的性能，材料表面不應(yīng)長霉。切實有效的防腐蝕設(shè)計是艦載導(dǎo)航雷達設(shè)計領(lǐng)域的重要課題之一。

2 防腐蝕設(shè)計

通過綜合分析環(huán)境、介質(zhì)等各種外因因素，結(jié)合艦載導(dǎo)航雷達結(jié)構(gòu)材料內(nèi)因因素分析，預(yù)測在海洋環(huán)境中艦載導(dǎo)航雷達可能發(fā)生的腐蝕失效類型和危險性后果，從而確定合理有效的防腐蝕措施。

2.1 耐蝕材料

選用高耐蝕性材料是防腐蝕設(shè)計中最常采用的手段之一。在海洋環(huán)境中，環(huán)境腐蝕條件比較苛刻，普通金屬與短鏈高分子材料難以滿足海洋防腐蝕需求。當材料用量不大時，可以考慮采用高耐蝕性材料，如耐海水不銹鋼、銅合金、鎳基合金和鈦合金。以艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備采用的緊固件為例，設(shè)計時需考慮到其可靠性要求與防腐蝕性能要求，且緊固件的用量不大，通常會采用耐海水不銹鋼材質(zhì)。對于一些有特殊防腐蝕需求的零件，例如導(dǎo)航雷達的銘牌與經(jīng)常暴露在海洋潮濕環(huán)境下的零件，有時也會采用銅及銅合金來提高其耐腐蝕性能。對于艦載導(dǎo)航雷達的金屬外殼部分，由于其用量較大，通常會兼顧考慮到經(jīng)濟效益，所以在設(shè)計時采用鋁合金制造，并采用特殊防護手段進行保護，例如鋁合金的表面改性及表面處理、導(dǎo)電氧化與有機涂料涂層保護等。

對于雷達天線外殼，設(shè)計時一般會采用長鏈高分子材料或高分子基復(fù)合材料，這兩種材料的耐海洋環(huán)境腐蝕性較強，但其耐老化能力與耐候性較差，因此在選用高分子材料時會優(yōu)先選取高分子鏈較長的工程塑料或工程橡膠，例如ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、高分子共聚物等工程塑料與玻纖增強聚酯、碳纖維增強環(huán)氧樹脂等聚合物基復(fù)合材料。在選用高分子材料時，優(yōu)先選擇添加防老劑、抗氧劑、紫外線穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、防霉劑的化學(xué)穩(wěn)定劑共聚、捏合的高分子材料。

2.2 表面處理與表面改性

對不耐蝕材料進行耐蝕性表面處理是防腐蝕設(shè)計常采用的手段之一。表面處理與表面改性是指采用化學(xué)、物理方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)，以提高部件整體的耐腐蝕性，也是艦載導(dǎo)航雷達最為常見的防腐蝕設(shè)計。對于艦載導(dǎo)航雷達金屬材料的表面處理與表面改性主要包含以下幾個方面。

(1)金屬覆蓋層(表面鍍金屬)

用耐蝕性較強的金屬或非金屬作為表面覆蓋層，將基體金屬與腐蝕介質(zhì)隔開，以達到防腐蝕的目的，這是電子設(shè)備中最常用的防腐蝕方法。表面覆蓋層分為金屬覆蓋層和非金屬覆蓋層兩大類。

金屬鍍層可以通過電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、熱浸鍍、滲鍍、真空鍍等方法獲得，也可根據(jù)需求確定。銅或銅合金的艦載導(dǎo)航雷達結(jié)構(gòu)件一般會采用銅鍍鎳、銅鍍鎘、銅鍍鉻等陰極鍍覆法來提高基底金屬銅的耐腐蝕與抗氧化功能。雷達上的鋼結(jié)構(gòu)件一般會采用鍍鋅層犧牲陽極來達到防腐蝕的功能，有時也會采用鋼鍍鎘、鍍鎳、鍍鉻等陰極鍍覆方法。鍍層厚度一般視設(shè)計需求而定，但在海洋環(huán)境下各種環(huán)境腐蝕效應(yīng)疊加，而且與陸地環(huán)境海洋環(huán)境下的腐蝕相比速度更為迅速，腐蝕程度更徹底，因此鍍層通常較厚。

(2)導(dǎo)電氧化與陽極氧化

導(dǎo)電氧化又叫化學(xué)導(dǎo)電氧化，在進行導(dǎo)電氧化時不需要通電，只需在特定的溶液中浸泡即可，按照色澤可以分為銀白色導(dǎo)電氧化和彩色導(dǎo)電氧化，后者又包括土黃色、彩虹色、金黃色導(dǎo)電氧化。金屬進行導(dǎo)電氧化后具有一定的防腐蝕性和導(dǎo)電性，艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備中的鋁及鋁合金部件經(jīng)過化學(xué)導(dǎo)電氧化后也可以防止電磁信號的干擾。

陽極氧化指金屬或合金的電化學(xué)氧化，需要在外加電流的作用下在金屬或合金(陽極)上形成一層氧化膜。陽極氧化一般應(yīng)用于艦載導(dǎo)航雷達金屬材料中的鋁及鋁合金材料。在相應(yīng)的電解液和特定的工藝條件下，由于外加電流的作用，鋁制品(陽極)上形成一層氧化膜。該方法可以顯著提升鋁合金表面的硬度、耐磨損性與耐腐蝕性，也可作為表面裝飾使用。

(3)化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是利用化學(xué)反應(yīng)、有時兼用物理方法改變結(jié)構(gòu)件表層化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，以便得到比均質(zhì)材料更好的技術(shù)經(jīng)濟效益的金屬熱處理工藝。由于艦載導(dǎo)航雷達金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕過后的失效和破壞大多數(shù)都萌發(fā)在金屬材料的表面層，尤其是在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件，其表面層的性能尤為重要。經(jīng)過化學(xué)熱處理后的結(jié)構(gòu)件實質(zhì)上可以認為是一種特殊的復(fù)合材料，其心部是原始成分的金屬材料，而表層則是滲了其他金屬的合金元素材料，心部與外層之間則是緊密的金屬晶體型結(jié)合?；瘜W(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等)工藝比電鍍等表面復(fù)合保護技術(shù)所獲得的結(jié)合要強得多，因此常被用來進行艦載導(dǎo)航雷達金屬材料基礎(chǔ)的表面處理。

(4)噴丸處理

噴丸處理也稱噴丸強化，是一個冷處理過程，可以改善金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞強度、耐磨性和粗糙度等性能，提高其使用壽命，增加抗腐蝕能力的有效方法之一。噴丸就是將高速彈丸流噴射到金屬結(jié)構(gòu)件表面，使金屬結(jié)構(gòu)件表層發(fā)生塑性變形，從而形成一定厚度的強化層，強化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于零件表面壓應(yīng)力的存在，當零件承受載荷時可以抵消一部分應(yīng)力，從而提高艦載導(dǎo)航雷達結(jié)構(gòu)件的疲勞強度。

噴丸處理在艦載導(dǎo)航雷達金屬結(jié)構(gòu)件的環(huán)境防護設(shè)計中也得到了廣泛應(yīng)用，雷達結(jié)構(gòu)件在經(jīng)過噴丸處理后可以有效延長使用壽命。此外，金屬材料的有機涂層及涂料涂裝的前序步驟往往也會進行噴丸強化處理，在去除其表面氧化層的同時提高了表面粗糙度，增強了有機涂層及涂裝涂料的附著性。

2.3 有機涂層及涂裝涂料

涂膜強度低的普通涂層因海水侵蝕與霉菌腐蝕等極易發(fā)生劣化現(xiàn)象，涂層易脫落、損傷，影響防腐蝕性能。因此，現(xiàn)在涂層厚度1000 μm以上的有機涂層防腐技術(shù)正在成為艦載導(dǎo)航雷達防腐蝕設(shè)計的主流。研究表明，紫外線會導(dǎo)致海洋飛沫帶中的防腐蝕涂層厚度平均每20年減少200～230 μm，因此防腐蝕設(shè)計時具有長期耐久性的涂層和兼?zhèn)淠秃蛐?、抗沖擊性的防腐蝕涂層方法更易被采用。

在海洋環(huán)境中，艦載導(dǎo)航雷達為了擁有良好的抗腐蝕耐老化性能，在涂覆抗腐蝕涂料時往往會涂裝2 mm以上的厚膜聚乙烯或聚氨酯的重防腐蝕涂層。艦載導(dǎo)航雷達的金屬材料進行有機涂裝時，其表面狀態(tài)很重要。在進行重防腐蝕涂裝時，應(yīng)確保金屬材料表面不存在堆積銹蝕、鹽分和其他雜質(zhì)附著。涂裝涂料時，往往是先對金屬表面進行噴丸處理，在去除其表面氧化層的同時提高表面粗糙度；然后再進行特殊的表面處理(如底漆涂裝等)，將粘接層和聚乙烯防腐層熔融擠壓包覆或涂裝聚氨酯包覆。由于有機涂層及涂裝是控制在2 mm以上的厚膜涂層，因此有機涂層及涂裝往往可以獲得比普通涂裝更高的穩(wěn)定性。而且聚乙烯、聚氨酯等高分子材料抗沖擊性和耐久性良好，種類選擇多，有不易損傷與自修復(fù)功能。在艦載導(dǎo)航雷達的防腐蝕設(shè)計中，通常會采用金屬材料覆蓋涂層與防腐涂層涂覆的設(shè)計，雷達設(shè)備表面涂覆的涂料厚度也控制在2 mm以上，以增強涂層的穩(wěn)定性。

涂料是船舶和海洋設(shè)備結(jié)構(gòu)腐蝕控制與微生物防護的首要手段。按照防腐蝕對象的材質(zhì)和腐蝕機理，海洋防腐涂料可分為海洋鋼結(jié)構(gòu)和非鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料。海洋防腐領(lǐng)域應(yīng)用的重防腐涂料主要有環(huán)氧類防腐涂料、聚氨酯類防腐涂料、橡膠類防腐涂料、氟樹脂防腐涂料、有機硅樹脂涂料、聚脲彈性體防腐涂料以及富鋅涂料等，艦載導(dǎo)航雷達天線罩通常都會厚涂一層白色有機涂料，用來隔絕海洋環(huán)境與海洋微生物對高分子材料或復(fù)合材料殼體的腐蝕效應(yīng)，提高雷達天線罩的使用壽命。

2.4 結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與可靠性分析

為了消除或減弱海洋環(huán)境中的腐蝕性因素，定期對艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與可靠性評估是掌握設(shè)備腐蝕狀態(tài)與抑制海洋腐蝕效應(yīng)的手段之一。通過對設(shè)備進行定期檢修和保養(yǎng)可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與檢測，從而保證導(dǎo)航雷達設(shè)備的使用安全。監(jiān)測參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)的腐蝕速度、污染情況、鍍涂層狀況、結(jié)構(gòu)厚度變化等。定期監(jiān)測與檢測這些量化指標，發(fā)現(xiàn)問題之后及時聯(lián)系專業(yè)人員進行修復(fù)處理，能夠進一步延長導(dǎo)航雷達的使用壽命。安全評價、可靠性分析、壽命評估是指在使用過程中定期對艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備整體進行評價與分析。在艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備結(jié)構(gòu)件設(shè)計初期進行壽命評估也可以在一定程度上提高艦載導(dǎo)航雷達設(shè)備的各項性能，包括其抗腐蝕、抗老化能力，進而增強其使用時的安全性。

3 防腐蝕設(shè)計驗證

防腐蝕設(shè)計驗證是指采用鹽霧、濕度與霉菌試驗來考核艦載導(dǎo)航雷達抗腐蝕設(shè)計的有效性。試驗的基本原理是：模擬近似于海洋的環(huán)境條件，并配合溫度、濕度、微生物等影響進行綜合作用，從而快速鑒定金屬材料的耐腐蝕性能。驗證標準為GJB 403A-1998《艦載雷達通用規(guī)范》規(guī)定的艦載導(dǎo)航雷達在鹽霧、濕度、霉菌等環(huán)境條件下不能產(chǎn)生腐蝕、長霉等失效現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

海洋環(huán)境中的鹽霧、水汽與微生物腐蝕效應(yīng)是艦載導(dǎo)航雷達使用壽命與使用安全的掣肘。為了使艦載導(dǎo)航雷達能在海洋環(huán)境中獲得良好的防腐蝕性能與較長的使用壽命，需要對其進行防腐蝕設(shè)計。艦載導(dǎo)航雷達可通過選用耐蝕材料、表面處理與表面改性、有機涂層及涂裝涂料、健康監(jiān)測與可靠性分析、試驗驗證等手段實現(xiàn)防腐蝕設(shè)計。