Диффузионная сварка замедляющих систем

Главный недостаток спиральных замедляющих систем ламп бегущей волны миллиметрового диапазона — низкий теплоотвод от спирали, ограничивающий выходную мощность прибора. Для снижения термосопротивления в зонах сопряжений спираль — стержни предложено применять для изготовления замедляющих систем диффузионную сварку молибденовой спирали с медным покрытием со стержнями, изготовленными из бериллиевой керамики. В данной работе представлена термодинамическая модель взаимодействия оксида бериллия с медью при образовании твердофазного соединения.

Схема взаимодействия бериллиевой керамики (ВеО) с медью при изготовлении замедляющих систем представлена на рис. 1, б.

Рис. 1. Замещающая система и схема взаимодействия керамики с медью: 1 — спираль, 2 — медь, 3 — бериллиевый стержень.

Замедляющая система (рис. 1, а.) состоит из молибденовой спирали 1, изготовленной из тугоплавкого материала (молибден), на поверхность которой нанесен слой меди 2 и стержней из бериллиевой керамики 3. Толщина слоя меди на спирали 20 мкм. При диффузионной сварке керамических стержней с медным покрытием спирали под действием температуры и давления медь диффундирует в бериллиевую керамику, в зоне взаимодействия толщиной δ образуется новая фаза BeCuO2. Степень превращения определяется скоростью образования зародышей новой фазы и линейной скоростью их роста.

Рассмотрим взаимодействие бериллиевой керамики с медью по следующей реакции:

BeO+Cu+O2→BeCuO2(1)

Степень превращения определяется по формуле [1]:

,

;

— работа образования зародыша;

δ — толщина зоны взаимодействия, м; Т — температура, К; Θ — угол смачивания фазы ВeCuO2 с ВеО; Eav — энергия активации образования зародышей, кДж/моль; Eaz — энергия активации скорости роста; n — порядковый номер металла, взаимодействующего с оксидом бериллия; t — время взаимодействия, с; значение Ar1(T,n) –выбрано по справочнику [2].

На рис. 2 изображена зависимость степени превращения от времени при δ = 18∙10–6 м, Eaz=390000кДж/моль, Eav=410000 кДж/моль, Т= 1250 °К и Т= 1300. Значения параметров получены путем подгонки к экспериментальным значениям.

Рис. 2. Зависимость степени превращения от времени 1-T=1300K; 2-T=1250K

Проведен процесс диффузионной сварки спиралей из молибдена с медным покрытием и стержней из бериллиевой керамики. Металлографический анализ зоны взаимодействия показан на рис 3.

Рис. 3. Зона взаимодействия бериллиевой керамики с медью: а — 500х, б — 1000х;

На рис. 3, б видно условную фазу в виде шаровидных включений. Для идентификации необходимо провести рентгеноструктурный анализ данной фазы. При замере зоны взаимодействия получили δc=18 мкм. Линейная скорость роста равна, где tc время диффузионной сварки, т. е. vc= 2·10–8 м/с.

Предложены термодинамическая и кинетическая модели взаимодействия бериллиевой керамики с медью при изготовлении замедляющих систем ЛБВ миллиметрового диапазона. Получено значение энергии активации для линейной скорости роста и образования зародышей путем подгонки к экспериментальным данным.

Проведены экспериментальные исследования процесса взаимодействия бериллиевой керамики с медным покрытием спирали. При испытании на отрыв наилучшая прочность соединения получена при степени приращения 0,4 при этом время сварки 10 мин, и температура 950 °С.

Литература:

1. Дж. Кристиан. Теория превращений в металлах и сплавах. Часть 1. Термодинамика и общая кинетическая теория — М.: «Мир», 1978.
2. К. Дж. Смитлз. Металлы. Справочник. — М.: «Металлургия», 1980.