摘要
纵向解锁机构是一套用于运载火箭整流罩两半罩连接与分离用的机构产品，其核心组件锁钩在验收和总装过程中需要重复多次解锁装配，弹簧是锁钩分离时使用的驱动元件。为提高弹簧可靠性，本文研究使用离子液体镀铝工艺替代含有氢脆隐患的电镀锌进行表面处理。首先通过典型产品试镀形成工艺方法，随后进行弹簧试制，最后开展热环境和锁钩机构试验验证弹簧可靠性。结果表明，离子液体镀铝工艺中的喷丸工艺会导致弹簧力值略微下降；这种状态的弹簧能够满足环境适应性要求，重复解锁会造成弹簧镀层磨损，力值下降约5%，但仍满足设计要求。弹簧使用离子镀铝工艺表面处理能够替代电镀锌，工艺实施过程中的喷丸后处理需要严格控制，重复使用时对弹簧镀层和力值的影响需要关注。
为增强金属零件环境耐腐蚀性和赋予材料表面某种功能特性，大量表面处理技术被开发出来。这些技术主要归为两种途径：一种是施加各种覆盖层，如电镀、化学镀等；一种是表面改性方法，如喷丸强化、表面热处理
弹簧是机械机构中常见的驱动能源，包括圆柱螺旋弹簧、扭簧、碟簧、板簧、涡卷弹簧等，其中圆柱螺旋弹簧主要采用高强度、高硬度和耐磨性好的钢丝（如70C、65Mn）材料制成。电镀是碳素弹簧钢丝常用表面处理工艺，但在实施过程中会发生析氢反应。如果除氢处理不彻底，弹簧容易因氢脆断裂失效，严重影响机构功能实
铝作为常见金属材料，密度低、无毒、导热和电性良好，耐蚀性、抗氧化性和与其他金属的易接性优
相较于电镀锌、镀镉等存在的氢脆质量隐患，离子液体镀铝更有优势。这种技术使用离子液体作为电镀液，通过电解在零件表面制备纯铝或铝合金膜层。它的生产过程无水，不产生析氢反
关于离子液体的研究首次出现于1914年，由WALDEN提出并描述了一种室温下的液态
国内离子液体镀铝工艺研究工作使用第一代卤化铝型离子液体较多。浙江大学团队利用EMIC-AlCl3离子液体进行了镁及镁合金、奥氏体不锈钢管道的镀铝涂层研究，探索了工艺可实施
近年来，为了提高航天产品的质量可靠性，高硬度、高强度产品的电镀锌工艺被列为禁用工艺，尤其在弹簧类产品上，迫切需要替代工艺。离子液体镀铝工艺不受零件复杂几何形关的限制，对环境、温度无特别需求，比较适合航天产品使用。本文使用EMIC-AlCl3离子液体开展纵向解锁机构弹簧镀层上的应用研究，旨在提高机构功能可靠性，同时考察重复使用对弹簧镀层及力学特性的影响。
电镀工艺一般包括前处理、电镀和清洗三个阶段，离子液体镀铝的工艺过程与电镀过程基本相似，参考电镀建立了研究用的离子镀铝工艺试制生产线。
工艺实施按照三阶段划分，设立了三个独立密封舱，密封舱之间通过过渡舱进行连接。各个舱段内充氮气保护，使离子液体隔绝空气。试件在密封舱内按工序完成镀铝试制加工。舱外设置橡胶手套完成必要的操作。
图1 离子液体镀铝工艺生产线
Fig.1 The process prodution line of aluminum electroplating in ionic liquid
采用EMIC-AlCl3离子液体电镀溶液体系通过电镀的方式在产品表面沉积纯铝镀层。电镀使用纯铝作为阳极，镀液温度一般控制在30~60 ℃，电镀的电流密度控制在2~4 A/d
为实现航天结构零件的应用，初步挑选了垫圈、带螺纹的直通接头、氢脆检测用试棒等典型产品用于离子液体镀铝试制试验，主要进行以下研究。
（1）摸索典型产品镀铝过程的工艺参数，完成最终试验件镀铝。
（2）表征试验件离子液体镀铝膜层性能指标，明确要求，并检测试验件镀层性能是否达标。
（1）镀层外观性能：离子液体镀铝后表面均呈现银白色，经过对试棒镀层外观和直通接头的螺纹进行检查，发现试棒外观部分螺纹处镀铝层不完整，直通接头镀层均匀性较差，且螺纹部位镀层不连续，见
图2 直通接头表面情
Fig.2 The surface of threaded specime
（2）镀层厚度：对平垫圈镀铝层的厚度进行检测，显示镀层均匀性较差，镀层总体厚度为5~13 μm，但侧面镀层厚度较平面镀层厚度薄，厚度仅为5~8 μm，厚度均匀性较差；对螺纹试件螺牙和螺纹根部镀层厚度与其他部位厚度差异较大，螺纹根部局部镀层不连续，不符合镀层厚度7~12 μm要求，具体见
图3 试件膜层厚度微观形貌
Fig.3 Micromorphology of the thickness of the film layer of the specimen
（3）结合力：平垫圈离子液电镀铝后表面均呈现银白色，采用划格试验测试镀层结合力，镀层结合力良好。
（4）耐蚀性：观察镀后零件，规定时长内未发现腐蚀情况。
（5）氢脆性能：镀铝后的氢脆试棒经200 h延迟拉伸，试棒未显现出氢脆敏感性问题。
在上轮试镀的工作中，除了典型航天产品外，也包括小菱形片、圆柱体等几何形状简单的陪镀物作为旁证。检查这些零件镀层厚度和完整性良好。对比航天零件和陪镀物，前者形状更复杂，表面存在一定油污和氧化皮。
为了提高电镀质量，面向工艺过程，工艺改进方向包括加强零件前处理、扩大镀中面积、优化镀后工艺参数等。
镀后处理增加喷丸、碱洗、钝化等工序，进一步提高镀层的致密性和耐蚀性。有研究工作表明喷丸等后处理对镀层没有影
改进后的工艺流程如下，共分12个步骤，见
图4 改进后的离子液体镀铝工艺流程
Fig.4 Improved process of the aluminum electroplating in ionic liquid
经过工艺改进后，对螺栓、垫片等零件进行试验，然后按照相关规范对镀层性能进行检查。
（1）镀层外观性能：离子液体镀铝后各零件外观平滑、连续、均匀，如
图5 试件外观
Fig.5 Specimen appearance
（2）镀层厚度：采用扫描电子显微镜（Hitichi， S-3400 I）观察试件不同区域的厚度及表面形貌、截面镀层质量，厚度及微观形貌如
图6 螺栓镀层的扫描电镜图像
Fig.6 The scanning electron microscopy images of bolt plating
图7 试件铝镀层表面形貌
Fig.7 Surface topography of aluminum plating of the test piece
由图可知，试件镀层厚度范围在8~12 μm间，符合7~12 μm设计要求。镀层表面微观形貌可知镀层与基体结合良好，镀层整体均匀、致密、连续，镀层的平整度较高，晶粒尺寸细致。
以上结果表明改进后的工艺满足指标要求。
当前运载火箭正从一次性使用向可重复使用方向发展，国内外学者开展了大量非火工驱动连接分离机构产品研
锁钩锁定和解锁状态如
图8 锁钩机构构成及锁定状
Fig.8 Composition and locking status of unlocking mechanis
图9 锁钩解锁状
Fig.9 The unlocked state of the unlocking mechanis
锁钩弹簧制造时首先使用碳钢丝卷制，然后进行热处理去应力，最后使用离子液体镀铝完成表面处理。
对于锁钩弹簧，主要关注其力学特性（一定行程下的弹簧力值）和耐环境适应性。将改进后的离子镀铝工艺用于锁钩弹簧样件试制，随后按照标准检查镀层各项指标见
| 序号 | 性能指标 | 产品情况 | 结论 | |
|---|---|---|---|---|
| 名称 | 要求 | |||
| 1 | 外观 | 膜层连续、均匀 | 膜层连续、均匀 | 满足 |
| 2 | 耐蚀性 | 96 h内不出现白锈；336 h内不出现红锈 | 96 h内没出现白锈；336 h内没出现红锈 | 满足 |
| 3 | 均匀性 | 7~12 μm | 8.91~11.2 μm | 满足 |
| 4 | 结合力 | 不低于0级 | 0级 | 满足 |
| 5 | 氢脆 | 200 h延迟拉伸不断裂 |
200 h延迟拉伸未断裂，氢含量小于1×1 | 满足 |
| 6 | 基体硬度 | 镀层硬度不应该低于基体或者工程图样要求的最低值 | 镀层硬度35~40HV | 满足 |
| 7 | 力值 | 符合图纸要求 | 镀前后变化小于1%，且符合图纸要求 | 满足 |
图10 几种弹簧产品镀后外观
Fig.10 The appearance of several springs after plating
图11 弹簧镀层的扫描电镜图像
Fig.11 The scanning electron microscopy images of spring plating
弹簧最重要的特性是力学特性，即一定行程下的力值，可表征刚度。检查镀前镀后的弹簧力值，镀前后变化小于1%，但趋势是略微降低，具体见
| 序号 | 要求值 | 镀前 | 镀后 | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1±10% | 1.002 | 0.996 | 满足 |
| 2 | 1±10% | 1.009 | 1.004 | 满足 |
| 3 | 1±10% | 1.004 | 0.997 | 满足 |
| 4 | 1±10% | 1.000 | 0.995 | 满足 |
| 5 | 1±10% | 0.998 | 0.994 | 满足 |
为了验证弹簧镀层可靠性，开展了弹簧零件级和锁钩机构级试验。将弹簧分为两组：一组开展热环境试验包括高低温及湿热环境；另外一组组成锁钩（2套）开展各种力学环境和热环境后的解锁试验以及重复解锁等试验，每套锁钩解锁共计22次。
试验顺利通过，锁钩解锁过程与以往使用电镀锌状态弹簧相比无异常，解锁力在历史包络范围内。
参加热环境试验的弹簧试验后状态无变化，复测弹簧力值如
| 序号 | 要求值 | 试验前 | 试验后 | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1±10% | 0.996 | 0.998 | 满足 |
| 2 | 1±10% | 1.004 | 1.004 | 满足 |
| 3 | 1±10% | 0.997 | 0.997 | 满足 |
参加组锁的弹簧检查了试验后的外观，并与以往电镀锌状态弹簧进行对比，具体见
图12 两种镀覆工艺弹簧综合试验后对比
Fig.12 Comparison of two coated process springs after comprehensive test
随后对镀铝弹簧镀层进行微观形貌检测，见
图13 综合试验后弹簧镀层微观图像
Fig.13 Microscopic image of spring plating after comprehensive test
对组锁后的弹簧力学特性进行了复测，力值下降约5%，这说明重复解锁对弹簧力学特性有一定影响，但依然在设计要求范围内，如
| 序号 | 要求值 | 组锁前 | 组锁后 | 结论 |
|---|---|---|---|---|
| 4 | 1±10% | 0.995 | 0.939 | 满足 |
| 5 | 1±10% | 0.994 | 0.974 | 满足 |
以上结果表明，离子镀铝状态弹簧能够满足机构功能及环境适应性要求。
（1）弹簧使用离子液体镀铝工艺形成的铝镀层能够满足机构功能及环境适应性要求，可以替代电镀锌工艺，完全规避氢脆风险，提高了可靠性。
（2）工艺后处理中的喷丸过程对弹簧丝径产生了轻微影响，造成弹簧力学特性略有下降，后续需要严格控制次数和时长。
（3）重复使用后的弹簧镀层会产生一定磨损但不影响防锈功能，弹簧力值下降约5%。
对于多次解锁的锁钩弹簧，力值下降和镀层彻底损失是两种重要的失效模式，应引起足够重视。后续可进一步开展锁钩解锁的弹簧极限寿命试验，为重复使用机构的弹簧设计提供参考。
参 考 文 献
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