航空電連接器鍍鎳層失效分析及可靠性優化

王 震，李 浩，張高鴻，劉 偉，劉貝貝，徐于剛，陳 凱

（河南航天液壓氣動技術有限公司，河南 鄭州 451191）

電連接器是一種基礎性元件，主要用于元器件與系統之間電信號及控制信號傳輸[1]，承擔電流或信號連接作用，廣泛應用于航天、航空、船舶、兵器等領域。這些特性使電連接器可靠性及環境適應性成為影響系統性能的關鍵因素[2]。相關數據顯示，電氣控制系統中的故障現象，70%是由元器件失效造成，這其中有40%由電連接器失效直接或間接導致[3]。

電連接器主要應用于4類環境，即大氣、水（包括海水）、機械和太空環境[4]，均要求電連接器具備良好的耐腐蝕性能。因此，電連接器表層常進行涂覆防護，提高耐鹽霧性能，保證耐腐蝕性能，保障產品生命周期。

航空電連接器金屬基體常選用鋁合金，表層化學鍍鎳提高其硬度、耐磨性及耐腐蝕性能，其主要失效形式為振動沖擊、溫濕度變化、鹽霧等環境因素導致的磨損或腐蝕。本文通過對某型號航空發動機軟管配套電連接器鍍鎳層腐蝕失效現象進行宏觀及微觀樣貌檢查及故障件成分理化分析，定位了故障產生原因，完成了故障機理分析。根據故障產生原因及故障機理分析結果，針對電連接器鍍鎳層，以提高其耐腐蝕性能，提升產品使用壽命及可靠性為目標，提出了電連接器鍍鎳層可靠性優化措施。

1 失效分析案例

1.1 研究對象

研究對象為航空某型號發動機軟管配套電連接器。電連接器一端與分支電纜裝配，另一端連接導線實現線束屏蔽及保護功能。

電連接器由尾部螺帽、絕緣體及接觸體等尾部附件構成，采用卡扣式快速連接形式、內外五鍵導向結構。尾帽金屬基體為耐腐蝕鎂鋁合金，表面直紋滾花便于螺紋旋合。因服役環境復雜，直紋滾花后表面鍍鎳以提高其硬度、耐磨性及耐腐蝕性能。

1.2 鍍層失效現象

一種航空發動機配套電連接器尾帽鍍鎳表層出現鍍層龜裂、剝落缺陷，位于直紋滾花側壁或溝壑底部，呈現不規則斑點分布樣貌。

1.3 研究方法

拆卸鍍層失效電連接器，拆卸過程未破壞其原有狀態，未接觸酸、堿、鹽等腐蝕性物質。拆卸后將電連接器真空包裝，保證貯存、轉運過程中干燥密封。通過分析滾花加工、鍍鎳表處等工藝驗證，借助掃描電鏡觀察缺陷微觀結構，并通過能譜儀對缺陷表面材料成分進行分析，對鍍層失效過程進行研究。

2 鍍層失效狀態檢查

2.1 宏觀形貌檢查

用電連接器在自然光下進行目視檢查，鍍層剝落形貌如圖1所示。用視頻放大鏡觀察電連接器，鍍層剝落區域存在凹坑、氧化腐蝕缺陷，如圖2所示。

圖1 目視檢查鍍層剝落形貌

圖2 視頻放大鏡下鍍層剝落形貌

2.2 微觀形貌檢查及成分鑒定

使用掃描電子顯微鏡掃描故障件鍍層表面，試樣鍍層剝落區域，剝落后Al基體上存在腐蝕產物，腐蝕產物主要元素除C、O外，其主要成分為Cl和Na。

試樣表面鍍層剝落區域SEM微觀形貌如圖3所示，表面可清晰觀察到直紋滾花加工痕跡，表面潔凈。取SEM微觀形貌圖示點位進行能譜掃描，掃描區域如圖4所示，EDS分析譜圖如圖5所示，分析結果如表1所示。

圖3 鍍層剝落區域SEM微觀形貌（30倍放大）

圖4 能譜掃描區域（300倍放大）

圖5 EDS分析譜圖

表1 EDS分析結果

3 鍍層失效分析

用視頻放大鏡觀察電連接器，故障件尾帽斑點處存在凹坑、缺塊現象，故障件其他位置，直紋側壁或溝壑底部存在局部夾屑。在視頻放大鏡下觀察未拆封樣品，表面光潔，直紋滾花側壁及溝壑內清潔，無局部腐蝕、斑點等缺陷。

3.1 滾花加工分析

軸類零件滾花加工較為普遍，直徑較小的細長軸零件滾花加工時過大的徑向力易導致零件彎曲，嚴重時可斷裂，特別是強度較低的有色金屬，如鋁、銅等[5]。

電連接器尾帽表面直紋滾花加工。普通車床加工，一端采用硬爪裝夾，另一端鉆頂尖孔裝夾，直紋滾花刀桿裝夾直紋滾花刀，徑向定位至管坯表面，車床主軸轉動時滾花刀軸向進給，完成直紋滾花擠壓成型加工工序。

復查尾帽加工過程。表面直紋滾花加工時，管坯剛性較差且內部中空，故管坯中間部位滾花加工時受徑向擠壓力，塑性變形，導致直紋滾花壓型較淺，需手工增加滾花刀徑向進給量完成滾花加工。實際操作時若工人未及時調整滾花刀徑向進給量，易導致滾花溝壑底部凹凸不平。滾壓成型后因壓型不良，操作工人需調整滾花刀與管坯溝壑底部吻合后二次加工。因直紋滾花為成型刀具擠壓金屬基體成型，二次加工易使成型中出現夾屑、破損等缺陷。

3.2 鍍鎳表處分析

鋁材表面化學鍍鎳，機理為自催化，將溶液中Ni離子沉積為Ni鍍層，待鍍工件表面需保持潔凈及良好的粗糙度。材料表面存在雜質或缺陷等，均會造成表面無法形成活性覆蓋層，導致鍍鎳層不合格[6]。

尾帽鍍鎳工藝流程為：除油—拋光—微蝕—一次浸鋅—退鋅—二次浸鋅—堿性預鍍鎳—鍍化學鎳—鈍化。堿性預鍍鎳打底前對鋁材金屬基體表處進行處理，打底后對外表面進行化學鍍鎳（厚度不低于25μm）并進行鈍化處理。

選取故障件4個點位采取金相檢測法確定鍍層厚度，點位1、2遠離鍍層剝落區域，點位3、4靠近鍍鎳層脫落區域。測定數據結果為：點位1、2鍍層厚度分別為23.34 mm、20.48 mm，點位3、4鍍層厚度分別為17.92 mm、8.95 mm。數據顯示，故障件鍍鎳層厚度不合格，且鍍層厚度不均勻，靠近鍍層剝落區域鍍層相對較薄。選擇故障件采用擠壓法進行鍍層結合力測試，使用虎鉗夾緊、擠扁待檢零件，擠壓后金屬基體和鍍層未發生龜裂、起皮或剝落缺陷，鍍層結合力測試合格。

鎳標準電極電位為-0.25 V，化學鎳鍍層相對鋁合金屬于陰極性鍍層，不具備電化學保護功能，因而其鍍層覆蓋的完整度對殼體的防護性能至關重要。

生產實踐中，化學鍍鎳易產生大量氣泡，粘附于尖銳棱邊或滾花側壁、溝壑粗糙部位，使涂覆鍍層孔隙率較高[7]，局部區域鍍鎳層較薄且厚度不均勻。在孔隙率高且局部區域鍍層厚度較薄時，鍍鎳層耐腐蝕性能下降。吸附于鍍層的表面濕氣、鹽分透過孔隙導通鍍鎳層與金屬基體，發生電化學腐蝕，腐蝕產物膨脹、脫落，金屬基體暴露。

3.3 能譜掃描分析

依據圖3—圖5故障件鍍層剝落區域掃描電鏡及能譜分析數據，鍍層龜裂區域腐蝕產物膜主要元素為O、Al、Cl、K、Na，其中Al、K為電鍍槽液成分，O、Na、Cl為空氣、鍍鎳表處殘留溶液及裝配手汗成分。能譜分析數據顯示，鍍鎳涂覆表層未引入污染物，故尾帽鍍層龜裂、脫落，判斷為二次滾壓加工牙型導致滾花槽側壁與溝壑夾雜，受損產生碎屑，潮濕環境下鍍鎳表層空隙接觸水汽，且鍍鎳表處殘留溶液及裝配手汗成分，電化學腐蝕導致鍍層龜裂，腐蝕產物脫落。

4 可靠性優化措施

針對電連接器鍍鎳層失效案例，以提高電連接器耐腐蝕性能，提高總裝產品可靠性為宗旨，分別從機械加工、鍍鎳表處、包裝防護等環節提出優化措施。

4.1 完善對滾花加工過程的管控

完善《鋁合金零件滾花加工操作及檢驗規范》，量化主軸轉速、進給量等工藝參數，明確禁止鋁合金零件二次滾壓成型。滾花成型后用放大鏡觀察滾花槽側壁及底部，確認無夾雜、受損等缺陷。機加后選取無水乙醇清洗，并用潔凈壓縮空氣吹干。表面涂煤油防銹，裝入自封袋及時周轉至鍍鎳表處。

4.2 優化鍍鎳表處工藝規范

堿性預鍍鎳打底前，增加堿浸蝕工序，去除表面污物及滾花夾雜物、碎屑等多余物，使用中性水基環保清洗劑滲透溶解表面油污等，完成后使用5倍放大鏡觀察滾花槽溝壑側壁及底部，無夾雜物、碎屑等多余物。

嚴格控制預鍍鎳時間，研究表明，預鍍鎳時間控制在5 min左右時，鍍鎳層耐腐蝕性能最為優良，主要為預鍍鎳5 min時表面再生長的化學鍍鎳層結構致密，孔隙率減小[8]。

鍍鎳表處完成后，表處零件100%非破壞型式測定鍍層厚度。每批零件鍍鎳表處后抽取一定比例進行48 h中性鹽霧試驗，確認其耐腐蝕性能良好。

4.3 加強包裝防護

組件裝配操作工人戴指套或手套操作，避免直接接觸鍍鎳層。電連接器使用無水乙醇清洗表面污物、雜質等，置于干燥箱內烘干處理。貯存過程中采用真空包裝，減弱環境溫度及濕度對鍍層耐腐蝕性能的影響。

5 結論

針對電連接器鍍鎳層失效故障，基于理化檢驗及鍍層失效區域分析，完成了故障機理分析，明確了故障產生原因，具體如下：①電連接器尾帽滾花側壁及溝壑底部存在龜裂、剝落缺陷，原因是直紋滾花返工導致滾花夾雜、受損產生碎屑；②鍍鎳表處除油—拋光過程中未徹底清除夾屑，該區域鍍層覆蓋不完整，涂覆后基體內孔隙率較高，膜層厚度較薄，耐腐蝕性能降低；③陰極化鍍鎳層在潮濕貯存環境中，水汽滲入孔隙內部，產生電化學腐蝕，基體優先腐蝕，表處溶液殘留及裝配手汗鹽分加劇腐蝕進程，附著于基體表層腐蝕產物膨脹，形成鍍層龜裂、剝落缺陷。

根據故障產生原因及故障機理分析結果，提出了電連接器的耐腐蝕及可靠性優化措施，具體如下：①完善滾花加工過程管控，消除直紋滾花槽內產生的夾雜物、碎屑等多余物；②優化鍍鎳表處工藝規范，增加堿浸蝕工序，使用放大鏡檢驗確認滾花槽內無夾雜物及碎屑等；③電連接器包裝前用酒精清洗并進行干燥處理，貯存過程中真空包裝，減弱環境溫度及濕度對耐腐蝕性能影響。