无磁蒙乃尔材料漏气原因分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:刘燕文

  微波真空电子器件广泛应用于雷达、卫星通信、电子加速器等方面。蒙乃尔材料也称镍-铜合金,其常被应用于微波真空电子器件,其性能好坏将直接影响微波源的可靠性和寿命。但在用银铜焊料对蒙乃尔材料进行钎焊封接时经常会发生漏气现象,直接给应用者造成损失。针对这一现象做了一系列的试验,并结合相关的理论知识对此现象进行了详细的分析,从工艺控制角度来探寻适宜可行的解决方法。介绍了在封接工艺中蒙乃尔材料合金退火的重要性及目的,并分析得出了蒙乃尔材料合金退火的温度及气氛。

  微波真空电子器件广泛应用于雷达、卫星通信、粒子加速器、全球定位、可控热核聚变及未来军事前沿的高功率微波武器等方面。历经数十年的发展,虽然常规微波真空电子器件及相关技术的理论已基本成熟,并且随着半导体工业的迅速发展,微波固态器件在某些领域逐渐替代了微波电真空器件,特别是在低频段,固态器件起着越来越重要的作用。但是由于微波固态器件的互作用区和散热区在同一区域,而微波真空电子器件的互作用区和散热区分开在慢波区和收集极两个区域,因而在高频段、大功率微波器件方面,微波真空电子器件仍占据着不可动摇的地位,并且微波真空电子器件在耐恶劣环境的可靠性以及制造工艺的相对简单性也具有明显的优势。随着现代微波技术的发展,微波器件对功率、频率、带宽等工作特性不断提出新的发展需求,这些需求主要表现在要求更高的频率、更大的功率、更宽的频带、更高的效率和新的工作特性,这些需求进而对微波真空电子器件及支撑技术的发展提出了新的挑战和发展机遇。

  材料是真空电子器件技术发展的物质基础,真空电子器件的技术、指标是否先进,产品的质量能否得到保证,除设计、制造工艺外,材料的性能也是一个重要因素,而且往往是决定性因素。真空电子器件材料具有门类多、品种杂、技术高、用量少、投资大、效益低的特点,加之军用真空电子器件是一种战略性物资,一直受到美国及其西方盟友的禁运,相关的材料也受到牵连。目前,我国军用真空电子器件在科研生产中所用材料约有60大类和4000 个以上的规格品种,包括了自然界中70% 以上的元素,应用领域十分广泛。

  无磁蒙乃尔(Monel 403)是以镍为主的镍铜合金的一种,它具有高强度、延性、可焊性和优良的耐蚀能力。在室温下成弱磁性,正常的处理工艺(如热轧、锻造、退火等)对它的磁导率影响很小。无磁蒙乃尔(Monel 403)在电真空器件中主要用来做管壳、电子枪零件等要求无磁性的零部件,但在用银铜焊料对蒙乃尔材料进行钎焊封接时经常会发生漏气现象,直接给应用者造成损失。因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为分析无磁蒙乃尔材料焊接过程的漏气原因具有十分重要的意义。

1、无磁蒙乃尔材料漏气现象

  蒙乃尔材料零件焊接后出现漏气,仔细捡漏后发现是材料漏气而不是焊缝漏气。经过对焊接零件(银焊料)的扫描电镜分析,发现漏气零件的蒙乃尔材料表面出现大量大的晶粒间界且有银焊料渗出,如图1所示,蒙乃尔材料零件尺寸Φ8.0mm×7.0mm。

银焊料焊接后蒙乃尔材料零件表面形貌

图1 银焊料焊接后蒙乃尔材料零件表面形貌(漏气)

  对加工的零件进行加热处理后的表面形貌进行了分析,见图2。

卧式氢炉850℃加热15min蒙乃尔材料零件表面形貌

图2 卧式氢炉850℃加热15min蒙乃尔材料零件表面形貌(漏气)

  这说明蒙乃尔材料零件焊接后漏气原因是由于蒙乃尔材料晶粒长大出现大晶粒晶界造成的,因此要控制蒙乃尔材料焊接后漏气必须控制蒙乃尔材料的晶粒长大。

4、结论

  蒙乃尔材料零件漏气原因是由于材料的前期高温退火工艺(850~900℃保温1h)造成的,实践证明这一退火工艺会造成大量蒙乃尔材料零件的漏气。加热温度和加热时间直接关系到材料的最终晶粒尺寸,因此要仔细考虑加热参数。从实验结果可知未退火的蒙乃尔材料经过各种加热处理后都未发现漏气现象,因此建议蒙乃尔材料不退火或进行低温退火(600~650℃)。现在采用未退火蒙乃尔材料加工焊接的零件没有再出现漏气现象。

  由于升温和降温时间较短,采用卧式氢炉焊接的蒙乃尔材料零件表面没有发现晶粒长大的现象。采用立式氢炉和真空炉焊接,由于其升温和降温时间较长,经过高温焊接后蒙乃尔材料零件表面发现晶粒长大的现象,随着处理温度的提高和时间的延长,晶粒间界逐渐变大。虽然蒙乃尔材料晶粒长大出现大量晶界并不足以使零件漏气,但会使蒙乃尔材料的强度下降和渗气等现象的发生。

  含有蒙乃尔材料的零件应尽量避免多次高温加热,使用卧式高纯氢(或露点低于-60℃的氢气)炉进行蒙乃尔材料的高温焊接,这样蒙乃尔材料的零件可以不用加热处理后再进行化学清洗(或进行化学清洗后再化学镀镍后烧氢)而直接进行焊接,从而避免蒙乃尔材料的零件因高温加热次数过多而带来的晶粒长大而出现晶界,从而避免蒙乃尔材料漏气、强度下降、渗气等现象的发生。

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