Введение к работе
Актуальность проблемы. Тугоплавкие покрытия поверхностей электродов ЭВП нашли широкое применение. Их. назначение включает в себя предотвращение эрозии электродов импульсных приборов, предотвращение самофокусировки электронного потока, повышение электрической прочности вакуумных зазоров, повышение допустимых тепловых нагрузок на электроды приборов непрерывного режима, уменьшение термоэмиссия, поглощение паразитного СВЧ излучения, уменьшение вторичной электронной эмиссии. Все используемые в настоящее время покрытия можно разделить на две группы: толстослойные /толщина более 0,1 мм/ и тонкослойные /толщина менее 0,1 мм/. Тонкослойные тугоплавкие покрытия наносятся методами ионно-молекулярного осаждения, ионно-плазменного напыления и гальванического осаждения. Толстослойные тугоплавкие покрытия создаются методами пайки твердым припоем, диффузионной сварки, контактно-реактивной диффузионной пайки, заливки расплавленной медью» осаадения из парогазовой фазы.
Названные группы покрытий можно также характеризовать отношением тхщщин защищаемого электрода и покрытия: для тонкослойных покрытии оно составляет как правило более 50-ти, а для толстослойньа это соотношение находится в пределах 20*1. Данная работа посвящена исследованию толстослойных тугоплавких покрытий и разработке технологии их изготовления.
Отличительной особенностью тугоплавких металлов являются относительно малые величины термических коэффициентов линейного расширения /ТКЯР/ по сравнению с другими металлами. Следствием этого является скачок значений ТКТР на границе раздела материалов электрода и покрытия, что приводит к нарушению геометрической формы электродов с покрытиями при термоциклических нагрузках, возникающих как при изготовлении, так и при работе приборов, а также к их разрушению.
В мощных приборах СВЧ основным конструкционным материалом является медь благодаря сочетанию высоких теплопроводности и электропроводности с хорошими технологическими свойствами /паяемость, обрабатываемость и т.д./. Поэтому тугоплавкие покрытия на медных электродах получили широкое распространение, как средство улучшения параметров мощных приборов. Однако эффекты, обусловленные скачком величин TKJIP материалов» в этих приборах проявляются наиболее ярко,так как разница TKIP меди и тугоплавких металлов достигает 3-х и более раз. Для значительного увеличения надежности и срока службы медных электродов с тугоплавкими покрытиями необходимы разработка и исследование методов повышения термоциклических прочности и формоустой-чивости таких электродов.
Цель работы. Радикальным средством увеличения как термоциклической прочности, так и термоциклической формоустойчивости электродов с тугоплавкими покрытиями является дискретизация покрытий, т.е. придание им дискретной структуры /ячеистой или спиральной/. Однако, до последнего времени выбор параметров дискретности покрытий с дискретной периодической структурой /размер ячейки или ширина витка спирали, а также величина интервала между дискретными элементами/ осуществлялся на основе конструктивных или технологических соображений, т.е. он не был научно обоснован. Целью настоящей работы является научное обоснование выбора параметров дискретности тугоплавких покрытий и разработка технологических процессов изготовления покрытий с заданными параметрами.
Для достижения цели предстояло решить следующие задачи.
- Исследовать взаимосвязь между параметрами дискретности тугоплавких покрытий и работоспособностью медннх электродов с такими покрытиями в условиях термоциклического нагружения. Для этого необходимо было провести комплексное исследование термоциклической прочности образцов тугоплавких покрытий с различными параметрами диск-
ретности. В процессе термоциклических, испытаний необходимо контролировать вакуумную плотность, состояние зоны контакта покрытия с защищаемой поверхностью, величину деформации образцов. При обработке результатов экспериментов предстояло установить взаимосвязь данных параметров с количеством проведенных термоциклов я выработать рекомендации по выбору параметров дискретности тугоплавких покрытий.
- Разработать новую технологию защиты медатах электродов туго
плавкими покрытиями, имеющими дискретную периодическую структуру и
обладающими повышенными термоциклической формоустолчивостью и термо
циклической- прочностью по сравнению с покрытиями, полученными тра
диционными методами. Данная задача решалась с использованием ранее
предложенного технологического способа, заключающегося в создании
дискретности покрытия одновременно с его нанесением посредством на
вивки спирали из тугоплавкого материала и последующим ее соединени
ем с защищаемой поверхностью. Для реализации разработанных техноло
гий необходимо провести детальный анализ процессов взаимодействия
между элементами используемых технологических устройств с целью ЕЫ-
бора их конструктивных, параметров и технологических параметров про
цессов, обеспечивающих наилучшее качество покрытий. Кроме того,было
необходимо разработать приёмы, позволяющие сохранять дискретную пе
риодическую структуру, созданную при навивке спирали.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
установлена взаимосвязь параметров дискретности тугоплавки покрытий с дискретной периодической структурой на плоских и цилиндрических поверхностях медных электродов ЭЕП с работоспособностью таких электродов в условиях термоциклического нагрукения;
проведена оптимизация параметров дискретности тугоплавких покрытий с дискретной периодической структурой на медных электродах ЭВП с точки зрения надежности п сроков службы этих электродов;
предложена математическая зависимость, связывающая ресурс
гарантированной термоциклической прочности тзггоплавких покрытий на меди, имеющих оптимальные параметры дискретности, с температурной амплитудой термоцикла.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
предложен технологический способ изготовления тугоплавких покрытий навивкой спирали из проволоки или ленты для защиты цилиндрических и конических поверхностей электродов ЭВП с формированием требуемой дискретной структуры покрытия;
предложены технологические схемы для изготовления спиральных тугоплавких защитных покрытий на цилиндрических и конических поверхностях, а также на"поверхностях иной формы;
предложены методики расчета конструктивно-технологических параметров процессов, обеспечивающие правильность сочетания свойств материалов и особенностей конструкций оправок с формой и размерами заготовки электрода, толщиной покрытия и толщиной припоя, которые позволяют свести к минимуму объем экспериментов при разработке конкретных технологических, процессов, а также обеспечивают необходимое качество покрытий, используемых в ЭВП.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на VI подотраслевой конференции молодых специалистов по СВЧ технике /1987г.,Горький/, совещании по проблемам совершенствования технологии л конструкций ЭВП /1988г.,Ростов Н/Ц/, школе-семинаре молодых специалистов СВЧ подотрасли /1990г.,Вардане/, 11 деловой встрече-семинаре специалистов СВЧ электроники /1999г.,Вардане/.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 2-х статьях, одном научно-техническом отчете и 3-х авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 147 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 36 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 76 наименований и 2-х приложений.
На защиту выносятся:
-
Результаты сравнительного анализа свойств тугоплавких покрытий медных электродов ЭВП, полученных методами пайки, диффузионной сварки, контактно-реактивной диффузионной пайки, заливки расплавленной медью и осаждения из парогазовой рдзы.
-
Результаты расчетных и экспериментальных исследований термоциклической прочности образцов тугоплавких покрытий с различными параметрами дискретности на медных электродах ЭВП из которых следует, что в исследованном интервале соотношений толщины электрода и толщины покрытия паяные тугоплавкие покрытия на медных электродах когезионно не разрушаются, независимо от параметров дискретности,
-
Рекомендации по выбору оптимальных параметров дискретности тугоплавких покрытий медных электродов ЭВП, устраняющих когезионное разрушение электродов при термоциклировании, которые заключаются в том, что формирование покрытий проводится в виде ячеистых структур с отношением большего размера ячейки к толщине электрода не более 2-х и интервалом между ячейками не менее 100 микрометров. При защите цилиндрических и конических электродов тугоплавкие покрытия формируются в виде спиральных дискретных структур с шириной витка спирали сравнимой с толщиной электрода и интервалом между витками не менее 100 микрометров.
-
Закономерность, определяющая ресурс гарантированной термоциклической прочности медных электродов с тугоплавкими покрытиями, имеющими оптимальные параметры дискретности, в зависимости от температурной амплитуды термоцикла.
-
Технологические способы изготовления защитных тугоплавких покрытий на наружных и внутренних цилиндрических и конических поверхностях, реализующие изготовление покрытий навивкой спирали из проволоки или ленты с формированием требуемой дискретной структуры.
-
Методики расчета конструктивно-технологических параметров
процессов изготовления спиральных тугоплавких защитных покрытий методом пайки твердым припоем.
