автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Особенности конструкций и технологии защитных тугоплавких покрытий электродов ЭВП

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № £

Ламонов Сергей Владимирович

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНйЯОГИИ ЗАЩИТНЫХ ТУГОПЛАВКИХ ПОКРЫТИЙ ЗДЕКТРОЛОВ эвп

Специальность: 05.27.02 - вакуумная и плазменная электроника 05.27.06 - технология л оборудование для производства полупроводников,материалов и приборов электронной, техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата, технических наук

Москва - 2001

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии НГПР'Торий".

Научный руководитель -кандидат технических: наук, поденг Ильин Владимир Николаевич.

Официальные оппонента:

• доктор технических наук, профессор...- - ...... ......... ... .

Коржавый Алексей Пантелеевич; доктор технических наук Шлифер Эдуард Давидович.

Ведущая организация - Государственное Научно-Производственное Предприятие "Исток"

Защита состоится " " 2001 г. в час. на за-

седании диссертационного совета Д217.035.01 в Государственном Унитарном Предприятии Всероссийском Электротехническом Институте им.В.ИЛенина., >:

Адрес института: Ш250, Москва, Красноказарменная улица 12, ГУП ВЗИ им.В.И.Ленина.

С диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке ГУП ВЭИ.

Автореферат разослан " 4В п МР1-91 2001 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета J / А.С.Соболева,

к.т.н., с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тугоплавкие покрытия поверхностей электродов ЭВП нашли ¡шгрояое 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 ю/ и тонкослойные /толщина менее 0,1 мм/. Тонкослойные тугоплавкие покрытия наносятся методами ионно-молекулярного осаждения, ионно-плазменного напыления и гальванического осаждения. Толстослойные тугоплавкие докрытая создаются методами пайки твердым припоем, диффузионной сварки, контактно-реактивной диффузионной пайки, заливки расплавленной медью» осаждения из парогазовой фазы.

Названные группы покрытий можно также характеризовать отношением толщин защищаемого электрода и покрытия: для тонкослойных покрытий оно составляет как правило более 50-ти, а для толстослойных это соотношение находится в пределах 20ь1, Данная работа посвящена ас-следованию 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 ТК1Р на границе раздела материалов электрода и покрытия, что приводит к нарушению геометрической форм-! 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 ТКЯР материалов» в этих приборах проявляются наиболее ярко,так как разница ТК1Р 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 медных 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 медных электродов тугоплавкими покрытиями, имеющими дискретную периодическую структуру и обладающими повышенными термоциклической формоустойчивостью и термоциклической- прочностью по сравнению с покрытиями, полученными традиционными методами. Данная задача решалась с использованием ранее предложенного технологического способа, заключающегося в создании дискретности покрытия одновременно с его нанесением посредством навивки спирали из тугоплавкого материала и последующим ее соединением с защищаемой поверхностью. Для реализации разработанных технологий необходимо провести детальный анализ процессов взаимодействия между элементами используемых технологических устройств с целью выбора их конструктивных- параметров и технологических параметров процессов, обеспечивающих наилушаее качество покрытий. Кроме того,было необходимо разработать приёмы, позволяющие сохранять дискретную периодическую 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 и сроков службы этих электродов;

- предложена математическая зависимость, связиЕашая ресурс

гарантированной термоциклической прочности тугоплавких 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 цяливдрнческях 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 /1288г..Ростов Н/Д/, 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:

1. 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 $азы.

2. 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 толщинй покрытия паяные тугоплавкие покрытия на медных электродах когезионно не разрушаются, независимо от параметров дискретности,

3. 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.

4. Закономерность, определяюшая ресурс гарантированной термоциклической прочности медных электродов с тугоплавкими покрытиями, имеющими оптимальные параметры дискретности, в зависимости от температурной амплитуды термоцикла.

5. 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.

6. Методики расчета конструктивно-технологических параметров

процессов изготовления спиральных тугоплавких защитных покрытий методом пайки твердым припоем.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы исследования, определяются задачи и назначение работы»

В первой главе дается обзор технологических методов изготовления тугоплавких защитных покрытий, на медных электродах ЭВП и проводится сравнительный, анализ качества покрытий, получаемых этими методами.

На основании анализа характеристик тугоплавких покрытий меди методами диффузионной сварки, контактно-реактивной, диффузионной пайки, заливки расплавленной медью и пайки твердым припоем показано, что для всех покрытий когезионное разрушение может наступить только в результате циклических температурных воздействий. Метод осаждения вольфрама из парогазовой фазы, напротив, дает хрупкие покрытия, когезионное разрушение которых может наступить даже при однократном термоцикле.

Показано, что метод пайки твердым припоем превосходит все упомянутые методы по адгезионной прочности, ширине диффузионных, зон между.медью.и тугоплавким покрытием, а также по отсутствию опасности образования в зоне контакта ингермегаллических фаз и обеспечивает тугоплавкое покрытие с наибольшей адгезионной термоциклической прочностью. Остальные из перечисленных, методов в порядке убывания адгезионной термоциклической прочности соответствуют ряду: контактно-реактивная диффузионная пайка, заливка расплавленной медью, диффузионная сварка, осаждение вольфрама из парогазовой фазы. Таким образом, метод пайки твердым припоем обеспечивает получение тугоплавких покрытий наилучшего качества с наибольшей стойкостью к термо-

циклическим нагрузкам.

Вторая глава посвящена анализу термомеханических, процессов, происходящих в биметаллических электродах ЭВП при термоыиклировании, а также расчетному определении ресурсов термоциклическои прочности математических, моделей этих электродов.

В основу расчетов положена формула Ксффина, описывающая процесс малоцикяового усталостного разрушения металлов:

л£-^=С , /V

где Д £ — величина пластической деформации за один цикл нагружения, /V - число циклов до разрушения, С - константа, зависящая от рода металла. При расчете ресурсов термоциклической прочности по данной формуле задача сводится к отысканию величины пластической деформации за один термоцикл. Зная данную величину для всех компонентов системы, а именно электрода, покрытия и соединительной прослойки, можно определить расчетный ресурс термоциклической прочности для каждого компонента.

Величина пластической деформации определялась по формулам:

<5 =г-д1 иг-лЪ) с^ю у /2/

£= ; /з/

где & Ь - разность ТКЛР материалов электрода и покрытия, АТ - температурная амплитуда термоцякла.

¿¡Л - безопасная величина температурной амплитуды термоцикла, /А - коэффициент Пуассона материала. Первая из этих формул использовалась при плоском /двухмерном/ напряженном состоянии, а вторая при линейном /одномерном/.

Расчет величин л77 псоводился по следующим фосмулам:

* о г>°'г

- для поктатия -¡~ _ е *р/7

J /4/

- для электрода 2 • ¿э

р-Т0,г

- для соединительной л 77Л —

Т/л Т )

прослойки /придоя/ у /6/

7-92

где 6л ; 6э ► - величины пределов текучести для материалов покрытия, электрода и соединительной прослойки соответственно, температурные коэффициенты механических напряжений для покрытия, электрода и соединительной прослойки. Для определения величин температурных, коэффициентов механических напряжений составлялись уравнения совместности деформаций, из которых. они выводились как функции физико-механических свойств материалов и геометрических характеристик /толщины покрытия, толщины электрода, толщины соединительной прослойки, размера ячейки покрытия/. В ходе расчетов получены следующие результаты.

Показано, что наименьшими адгезионной термоциклической прочностью, когезионной термоциклической прочностью покрытия и когезионной термоциклической прочностью защищаемого электрода из всех рассмотренных моделей обладает бесконечно длинная биметаллическая пластина конечной толщины /модель Я 1/, Бесконечно длинная биметаллическая пластина конечной толщины с дискретной структурой покрытия вдоль одной из координат /модель № 2/ имеет увеличенную термоциклическую прочность системы электрод - покрытие от 2-х и более раз по сравнению с моделью * 1.

У покрытий с ячеистой структурой /модель № 3/, имеющей размеры ячеек на порядок больше, чем толщина защищаемого электрода, термоциклическая прочность системы электрод - покрытие находится на уровне модели й 2. При уменьшении размеров ячеек тугоплавкого покрытия термоциклические прочности всех компонентов системы повышаются. У покрытий, имеющих размеры ячеек, сравнимые с толщиной электрода, ко-гезионного разрушения как электрода, так и покрытия нет ни при каком отношении их толщин, а адгезионная термоциклическая прочность повышается еще в 2 и более раза по сравнению с покрытием, имеющим

дискретную структуру вдоль одной из координат /модель > 2/.

Для (бесконечно длинной тонкостенной биметаллической трубы /модель № 5/ когезионные термоциклические прочности покрытия и электрода не отличаются от аналогичных характеристик для бесконечно длинной биметаллической пластины /модель № 1/. Адгезионная термоциклическая прочность трубы выше, чем пластины и близка к прочности модели # 2.

Для тонкостенной грубы с кольцевой структурой покрытия и при ширине кольца покрытия, сравнимой с толщиной электрода /модель № 4/, когезионные термоциклические прочности покрытия и электрода близки к аналогичным характеристикам для модели № 2, а адгезионная термоциклическая прочность близка к адгезионной термоциклической прочности ячеистого покрытия /модель Л 3/.

Для всех рассмотренных математических моделей когезионное разрушение покрытий является наименее вероятным видом разрушения при термоциклических -.нагрузках.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям термоциклической прочности медных электродов с тугоплавкими покрытиями.

Термоциклирсвание образцов электродов осуществлялось в атмосфере азота на специально изготовленном для этой цели стенде. На этом же стенде осуществлялось термоциклирование образцов в экспериментальном диоде, который представлял собой вакуумную колбу с гек-саборид лантановым катодом косвенного накала и анодом, которым служил исследуемый образец. Кроме того, осуществлялось термоциклирование образцов в водородной печи. Амплитуда термоциклов для атмосферы

о

азота и для экспериментального диода была выбрана равной 400 С с привязкой к рабочим термоциклам прибора, а режим термоциклирования

о

был 200-600-200 С. Амплитуда термоциклов для атмосферы водорода бы-

о

ла выбрана равной 780 С с привязкой к технологическим термоциклам

о

при режиме 20-800-20 С. Время нагрева образцов при термоциклирова-

нии в атмосфере азота составляло 15 минут, в экспериментальном диоде 1 минуту и в водороде 40 минут. Время остывания составляло 30 минут, 2 минуты и 120 минут соответственно. При термоциклировании образцов в атмосферах азота и водорода они периодически проверялись на вакуумную плотность посредством гелиевого течеискателя ПТИ-6, исследовались под микроскопом с увеличением 16+32 раза на предмет наличия дефектов в зоне контакта покрытия с защищаемой поверхностью,' а также обмерялись индикатором часового типа для определения величины деформаций. При термоциклировании в экспериментальном диоде аналогичные исследования выполнялись по завершении испытаний.

На основании расчетных исследований, проведенных, в главе 2, была установлена важность одного параметра дискретности тугоплавких покрытий. - размера ячейки /ширина витка спирали в случае спиральных покрытий/. Параметром не менее значимым, влияющим на работоспособность электродов с покрытиями, является интервал между ячейками /витками спирали/. Важность правильного выбора интервала диктуется взаимовлиянием ячеек, обусловленным перекрытием зон механических напряжений от отдельных ячеек покрытия в материале электрода. Кроме параметров дискретности покрытий на термоциклическую прочность электродов с покрытиями оказывают влияние следующие факторы: толщина покрытия, толщина защищаемого электрода, род материала покрытия, форма ячейки. Однако, в ходе экспериментов было установлено, что данные факторы являются на порядок менее значимыми, чем параметры дискретности. В исследованном интервале отношения толщины покрытия к толщине электрода / 1/304-1/2 /, для покрытий из сплава МР-47ВП и из молибдена МЧ, для квадратных и для прямоугольных, ячеек было установлено, что характер изменения ресурса термоциклической прочности электродов с покрытиями одинаков и определяется большим размером ячейки /ширинойвитка спирали/ и величиной интервала между ними. Конкретно в результате экспериментальных исследований получены следую-

щие результаты.

Для покрытий на плоских, поверхностях, имеющих различные пара-

о

метры дискретности, при термоциклирования в режиме 200-600-200 С

а

для атмосферы азота и в режиме 20-800-20 С для атмосферы водорода установлено, что в исследованном интервале соотношений толщины покрытия и толщины электрода / 1/30+1/2 / при отношении наибольшего размера ячейки к толщине электрода более 3-х когезионное разрушение последнего проявляется раньше адгезионного, за сравнительно небольшое число циклов. ГГри отношении наибольшего размера ячейки к толщине электрода менее 3-х и интервале между ячейками более 100 мкм ко-гезионного разрушения электродов не наблюдается, а до адгезионного разрушения электроды с такими покрытиями выдерживают на порядок большее число термоциклов, по сравнению с электродами, имеющими вышеозначенное отношение более 3-х.

Для покрытий на плоских поверхностях, имеющих оптимальные параметры дискретности /размеры ячеек сравнимы с толщиной защищаемого электрода, а интервалы между ними не менее 100 мкм/, установлен ресурс адгезионной, термоциклической прочности при термоциклировании в

о о

режиме 20-800-20 С для атмосферы водорода и в режиме 200-600-200 С для экспериментального диода. Показано, что гарантированное число термоциклов fis// до отслоения покрытий от защищаемой поверхности и температурная амплитуда термоцикла /4 7~/ связаны соотношением:

л/-дГг = z-108 . /?/

Для покрытий со спиральной дискретной структурой на наружных и на внутренних поверхностях медных цилиндрических электродов термо-

о

цитированием в атмосфере водорода по режиму 20-800-20 С установлено, что при оптимальных параметрах дискретности покрытий /ширина витка спирали сравнима с толщиной электрода, а интервал между витками не менее 100 мкм/ когезионного разрушения электрода не наблюдается и ресурс адгезионной термоциклической прочности оказывается

сравнимым с ресурсом плоских электродов при ячеистых тугоплавких покрытиях, имеющих оптимальные параметры дискретности /гарантированный ресурс термоциклической прочности спиральных: покрытий может быть определен по формуле /7/,

Экспериментально установлено, что в исследованном интервале соотношений толщины электрода и толщины покрытия паяные тугоплавкие покрытия на медных электродах когезионно не разрушаются /этого вида разрушения^ не было отмечено ни у одного из исследованных образцов/.

Экспериментально установлено, что медные электроды с тугоплавкими покрытиями, имеющими оптимальные параметры дискретности, обладают наибольшей термоциклической формоустойчивостыо. При количестве термоциклов равном разрушающему, деформации электрода либо нет, либо она незначительна.

Четвертая глава посвящена практической реализации технологического способа, заключающегося в, создании дискретной структуры покрытия одновременно с его нанесением посредством навивки спирали из тугоплавкого материала и последующим ее соединением с защищаемой поверхностью. Данный способ имеет первостепенное значение для защиты электродов, представляющих из себя тела вращения, и прежде всего цилиндрических и конических.

При защите наружных поверхностей электродов навивка спирали производится на защищаемую поверхность заготовки электрода с предварительно нанесенным на него слоем припоя, с последующим соединением спирали и электрода пайкой. Для предотвращения отрыва покрытия от заготовки электрода при остывании от температуры пайки до температуры солидуса припоя используется внутренняя оправка, имеющая ТКЯР меньший, чем у заготовки электрода, и препятствующая ее усадке при остывании. Рассмотрены варианты конструкций внутренних оправок с ана лизом их достоинств и недостатков.

При защите внутренних поверхностей электродов навивка спирали

производится на оправку, форма которой соответствует защищаемой поверхности электрода, а материал оправки имеет ТЯЛР больший, чем материал покрытия. Затем оправка со спиралью вставляется в заготовку электрода с нанесенным на внутренней поверхности слоем припоя. Снаружи на заготовку электрода устанавливается еще одна оправка из материала с ТКЛР меньшим, чем у заготовки электрода, и осуществляется пайка спирального покрытия. Плотный контакт между спиральным покрытием и заготовкой электрода, необходимый для качественного соединения, обеспечивается за счет разницы ТКЛР внутренней и наружной оправок. Рассмотрены варианты конструктивного исполнения оправок.

Показано, что предложенные технологические процессы могут быть использованы для защиты секторами спиральных тугоплавких покрытий электродов более сложной формы.

Пятая глава посвящена анализу процессов изготовления электродов со спиральными тугоплавкими защитными покрытиями и разработке методик расчета конструктивных, параметров "объектов" и технологических параметров процессов, которые обеспечивают правильность сочетания свойств материалов и особенностей конструкций оправок с формой и размерами заготовки электрода, толщиной покрытия и толщиной припоя. Для спиральных, покрытий защищаемых электродов рассмотрены особенности формирования оптимальной дискретной структуры, при которой обеспечивается наиболее щадящий тепловой режим его работы при сохранении защитных свойств.

На основании анализа взаимодействия спирали из тугоплавкого материала, заготовки электрода и внутренней оправки при изготовлении защитных покрытий наружных цилиндрических и наружных конических поверхностей электродов сформулированы условия надежного контакта заготовки с покрытием в ходе технологического процесса, выполнение которых гарантирует бездефектное соединение пайкой твердым припоем. Показано, что при остывании заготовки с покрытием от температуры

пайки до температуры солидуса припоя должно выполняться неравенстве

, /8/

где (¿2 и Ц.п- термические усадки заготовки и покрытия соотвегственнс при остывании от температуры пайки, (Л^и.1Лп~ величины упругих деформаций заготовки и покрытия, обрг зовавшихся за счет термического натяга, при температуре пайки,

^ - толщина жвдкой фазы припоя при температуре пайки, (¿^ - величина перемещения наружной поверхности заготовки внутренней оправкой. В этом случае образование дефектов паяного шва покрытия с заготовке невозможно ни в результате плавления припоя, ни в результате отрыве покрытия от заготовки при остывании за счет большей термической усадки последней. Разработаны методики проверки этого условия, приближенная при использовании внутренней оправки и математически стрс гая при ее отсутствии.

Сформулированы прочностные условия для внутренних оправок и разработаны математически строгие методики их проверки. При соблюдении этих условий пластические деформации в деталях оправок отсутствуют и это гарантирует их многократное использование.

Сформулированы условия контакта заготовки электрода и различных конструкций внутренних оправок на этапе нагрева под пайку. Выполнение этих условий обеспечивает плотный контакт между ними при пайке и эффективную работу оправки на этапе остывания заготовки с покрытием. Предложены приближенные методики проверки этих условий.

На основании анализа взаимодействия заготовки электрода, спирали из тугоплавкого материала, внутренней оправки для спирали и нг ружной оправки для электрода при изготовлении защитных покрытий внутренних цилиндрических и внутренних конических поверхностей эле* тродов сформулированы условия надежного контакта заготовки с покры-

тием в ходе технологического процесса, выполнение которых гарантирует бездефектное соединение пайкой твердым припоем. Показано, что при нагревании от температуры солидуса припоя до температуры пайки должно выполняться неравенство:

где (¿пи — перемещение наружной поверхности покрытия,

— перемещение внутренней поверхности заготовки,

Д — величина сборочного зазора между заготовкой и покрытием,

- толщина жидкой фазы припоя.

В этом случае образование дефектов паяного шва покрытия с заготовкой невозможно ни в результате плавления припоя, ни в результате недостаточного термического натяга наружной и внутренней оправок. Разработаны приближенные методики проверки приведенного условия.

Сформулированы прочностные условия для наружных и внутренних оправок, используемых при изготовлении спиральных тугоплавких защитных покрытий внутренних цилиндрических и внутренних конических поверхностей, электродов. При соблюдении этих условий пластические деформации в деталях оправок отсутствуют и это гарантирует их многократное использование. Разработаны математически строгие методики проверки прочностных условий.

Показано, что при использовании в качестве защитного тугоплавкого покрытия плющеной ленты формировать оптимальную дискретную структуру спирального покрытия на защищаемой поверхности электрода можно двумя способами. По первому нужно проводить пайку с минимально достаточным количеством припоя для предотвращения заполнения меж-витковых зазоров. По второму способу нужно проводить пайку с предельно допустимым количеством припоя и с последующим удалением его излишков из межвигковых зазоров химическим или электрохимическим селективным травлением.

При использовании в качестве защитного тугоплавкого покрытия

проволоки формирование оптимальной дискретной структуры спирального покрытия на защищаемой поверхности электрода по первому способу затруднено вследствие неконтролируемого вдавливания витков покрытия в заготовку,, поэтому предпочтительнее пайка по второму способу с предельно допустимым количеством припоя и последующим его удалением из межвитковых зазоров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом выполненной диссертационной работы является установление взаимосвязи между параметрами дискретности тугоплавких покрытий с дискретной периодической структурой и работоспособностью медных, электродов ЭВП с такими покрытиями в термоциклическом режиме. Благодаря полученным результатам созданы технологические процессы изготовления защитных тугоплавких покрытий медных электродов ЭВП, дающие оптимальные покрытия с точки зрения надежности и сроков служб этих электродов. Такой эффект определяется формированием дискретной структуры покрытия /ячеистой или спиральной/ с оптимальными параметрами дискретности. Конкретно в результате работы получены следующие результаты.

Сравнительным анализом параметров и свойств тугоплавких покрытий медных электродов ЭВП показано, что реализация таких покрытий методом пайки твердым припоем обеспечивает наилучшую адгезионную термоциклическую прочность по сравнению с методом диффузионной сварки, контактно-реактивной диффузионной пайки, заливки расплавленной медью или осаждением из парогазовой фазы, а наихудшей когезионной термоциклической прочностью обладают покрытия, полученные методом осаждения из парогазовой фазы.

Исследованиями термоциклической прочности математических моделей биметаллических пластин различной длины, в которых один слой

медный, а второй из тугоплавкого металла показано, что с уменьшением ячеек тугоплавких покрытий меди, имеющих дискретную ячеистую структуру, до размеров сравнимых, с толщиной защищаемого электрода когезионного разрушения последнего, а следовательно, и потери им вакуумной плотности не наступает. Также показано, что при термоциклических нагрузках когезионное разрушение покрытий для всех методов, кроме осаждения из парогазовой фазы, является наименее вероятным видом разрушения независимо от соотношения толщины покрытия и толщины электрода, а также размеров ячеек.

Экспериментальными исследованиями термоциклической прочности медных электродов с паяными защитными тугоплавкими покрытиями, имеющими различные параметры дискретности подтверждено, что вид разрушения электродов зависит от размеров ячеек. Установлено, что в исследованном интервале соотношений толщины покрытия и толщины электрода / 1/30*1/2 / при отношении наибольшего размера ячейки к толщине электрода более 3-х когезионное разрушение последнего проявляется раньше адгезионного и за сравнительно небольшое число циклов. При от-ноношении наибольшего размера ячейки к толщине электрода менее 3-х и интервале между ячейками более 100 мкм когезионного разрушения электродов не наблюдается, а до адгезионного разрушения электроды с такими покрытиями выдерживают на порядок большее число термоциклов, по сравнению с электродами, имеющими вышеозначенное отношение более 3-х.

Экспериментально установлено, что при защите как наружных, так и внутренних поверхностей медных цилиндрических электродов тугоплавкими покрытиями со спиральной дискретной структурой, имеющей оптимальные параметры дискретности /ширина витка спирали сравнима с толщиной электрода, а интервал между витками не менее 100 мкм/ когезионное разрушение электрода не наблюдается и ресурс термоциклической прочности оказывается сравнимым с ресурсом плоских электродов при ячеистых тугоплавких покрытиях, имеющих оптимальные параметры диск-

ретности.

Экспериментально установлено, что в исследованном интервале соотношений толщины электрода и толщины покрытия, паяные тугоплавкие покрытия на медных электродах когезионно не разрушаются /этого вида разрушения не было отмечено ни у одного из исследованных, образцов/.

Для защиты цилиндрических и конических: электродов ЭБП предложен технологический способ изготовления тугоплавких покрытий навивкой спирали из проволоки или ленты с формированием требуемой, дискрет ной структуры покрытия. Рассмотрены возможности реализации этого спс соба при изготовлении спиральных защитных тугоплавких покрытий на наружных и внутренних цилиндрических и конических поверхностях электродов .

На основании анализа процессов изготовления электродов со спиральными тугоплавкими защитными покрытиями предложены методики расчета конструктивных параметров "объектов" и технологических параметров процессов, которые обеспечивают правильность сочетания свойств материалов и особенностей конструкций оправок с формой и размерами заготовки электрода, толщиной покрытия и толщиной припоя, и соответственно плотность контакта покрытия и заготовки электрода, как на атале нагрева от температуры солидуса припоя до температуры пайки, так и на этапе остывания, что гарантирует образование бездефектных паяных соединений. Кроме того, методики обеспечивают соблюдение про1 ностных. условий, для используемых оправок /это гарантирует их многократное эффективное использование/.

Использование результатов исследований медных электродов с паяными тугоплавкими покрытиями при различных параметрах дискретности, а также технологических процессов изготовления этих покрытий, позволяет получать защитные покрытия электродов с прогнозируемыми ресурсами термоциклической прочности, превышающими ресурсы ранее существующих защитных покрытий электродов в несколько раз.

Основные научные результаты исследований кратко могут быть сформулированы следующим образом.

- Защита медных электродов ЗВП покрытиями из тугоплавких металлов, находящихся в пластичном состоянии, с использованием метода пайкя твердым припоем, при отношении толщины покрытия к толщине электрода более 1/30, исключает когезионное разрушение покрытий, независимо от параметров дискретности.

- Формирование паяных тугоплавких покрытий медных электродов в виде ячеистых, структур с отношением большего размера ячейки к толщине электрода не превышающего 2-х и с интервалом между ячейками не менее 100 микрометров существенно /примерно на порядок/ повышает ресурс адгезионной термоциклической прочности и полностью устраняет когезионное разрушение электродов при термоциклировании, при этом число термоциклов до адгезионного разрушения /л// и температурная амплитуда термоцикла /лТ/ связаны соотношением:

л/.д .

- Защита медных цилиндрических и конических электродов тугоплавкими покрытиями со спиральной дискретной структурой и параметрами дискретности, устраняющими когезионное разрушение электрода /ширина витка спирали сравнима с толщиной электрода и интервал между витками не менее 100 мкм/, повышает ресурс термоциклической прочности на порядок, при этом его значение может быть оценено по вышеприведенной формуле.

Таким образом, в результате выполненных исследований решена задача установления взаимосвязи между параметрами дискретности тугоплавких покрытий и работоспособностью медных электронов с такими покрытиями в термоцикличесяом режиме. На основе полученных данных создана технология изготовления медных электродов с тугоплавкими покрытиями, имевшими дискретную периодическую структуру и обладающими по-

вышеншш /от 2-х раз до порядка/ термоциклической прочностью и те] моциклической срормоустойчивостью по сравнению с электродами, защшц; емыми традиционными методами. Эта задача решена с помощью технолог! ческого способа, заключающегося в создании дискретной структуры тугоплавких покрытий: путем плотной навивки спирали из тугоплавкой пр< волоки или ленты. Защита электродов более сложной формы реализуете: посредством секторов спиральных тугоплавких покрытий с формировали! ячеистой структуры.

На основе проведенных исследований, разработаны ' и реализованы технологические процессы защиты протяженных ламелей замедляющей си< темы мощного магнетронного усилителя и элементов анода коммутируя® го прибора "Теш-2". Испытания указанных приборов показали, что ра: работанные процессы защиты медных электродов можно рекомендовать к внедрению в мощные ЭВП.

Основные материалы диссертации изложены в следующих публикациях.

1. A.C. 1431583 /СССР/. Способ изготовления анодов электровакуумных приборов. Авторы изобретения Симонов A.C., Закиров Ф.Г., Ламонов C.B., Угенкова Е.Л., Ильин В.Н., Чугунов Б.Ф., Быстров В.М заявлено 04.0t.1987, зарегистрировано 15.06.1988. /непубликуемое/.

2_ A.C. 1646436 /СССР/. Способ изготовления электродов электр вакуумных приборов. Авторы изобретения Ламонов C.B., Макарова С.П. Закиров Ф.Г., Симонов A.C. - заявлено 23.08.1988, зарегистрировано 03.01.1991. /непубликуемое/.

3. A.C. 1690504 /СССР/. Способ изготовления цилиндрического электрода электровакуумного прибора. Авторы изобретения Симонов А. Ильин В.Н., Закиров Ф.Г., Ламонов C.B., Семенов В.Д., Утенкова ЕЛ - заявлено 09.11.1989, йарегистрировано 08.07.TS91. /непубликуемое

4. Новая технология защиты электродов электровакуумных приборов. /Ламонов C.B., Ильин В.Н., Симонов A.C., Закиров Ф.Г., Селива

нов А.H., Мухин В.H., Титова Т.А.//Электронная техника. Серия 6, Материалы. 1991. Вып.9. С. 45 - 52. - ДСП.

5. Ламонов C.B., Ильин В.Н. Расчет конструктивно-технологических параметров процессов изготовления спиральных защитных тугоплавких покрытий .//Электронная техника. Серия 6, Материалы. 1S91. Вып.9. С. 57 - 74. - ДСП.

ДСП - 1 Тир. 70 экз.

ФГ/П НГПТ'Торий