СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛА ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ И БАРИЯ Российский патент 2018 года по МПК C22C1/05 C22C5/04 B22F1/00 H01J1/32 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных металлосплавных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники (ламп бегущей волны, магнетронов и т.п.).

Существует способ получения катодных материалов на основе металла платиновой группы и бария методом аргонно-дуговой плавки с нерасходуемым вольфрамовым электродом (см.: Н.П. Есаулов. Методы электроплавки при разработке спецсплавов для радиоэлектроники. Электрометаллургия. 2011, №4. - С. 30-33). Указанный способ состоит в следующем. Для проведения процесса плавки используется дуговая вакуумная печь (ДВП). Печь включает форвакуумный насос ВН-2, вакуумный агрегат ВА-0,5; вакуумную камеру, водоохлаждаемый медный кристаллизатор, нерасходуемый вольфрамовый электрод, баллон аргона марки А. Перед плавкой порошок Pd или Pt компактируют (прессуют), а с поверхности бария удаляют парафин и масло, а также слой оксидов. Очищенный барий помещают непосредственно на дно лунки медного водоохлаждаемого кристаллизатора, а сверху на него загружают металл в компактном виде. Рабочую камеру откачивают, напускают аргон. Подают питание на электрод. Происходит расплавление металлов с образованием сплава.

Полученный сплав является двухфазным и представляет собою матрицу тугоплавкого металла (Pd, Pt) с включениями интерметаллического соединения (Pd₅Ba; Pt₅Ba).

Основной недостаток настоящего способа - сильно неравномерное распределение фазы интерметаллида в матрице металла платиновой группы. Данный факт приводит к понижению коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) сплава, понижению к.п.д. электровакуумных приборов (ЭВП) на его основе и уменьшению процента выхода годных.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ получения катодных материалов на основе металла платиновой группы и бария, позволяющий добиться более равномерного распределения интерметаллида в (см.: Н.П. Есаулов. Методы электроплавки при разработке спецсплавов для радиоэлектроники. Электрометаллургия. 2011, №4. - С. 30-33). Указанный способ состоит в следующем. Описанным выше методом аргонно-дуговой плавки выплавляется интерметаллид (стехиометрическое соединение металла платиновой группы и бария; например, Pd₅Ba (Pt₅Ba)). Этот сплав размалывают в атмосфере инертных газов или углекислого газа, смешивают с таким количеством благородного металла, которое необходимо для получения сплава с заданным составом, прессуют и переплавляют тем же методом аргонно-дуговой плавки или спекают.

Недостаток настоящего способа - недостаточная однородность распределения интерметаллида в матрице благородного металла.

Цель настоящего изобретения - повышение к.п.д. и процента выхода годных приборов с использованием катодов R-Ba (где R- металл платиновой группы) путем улучшения однородности распределения фазы интерметаллида в матрице металла платиновой группы и повышения за счет этого коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ).

Указанная цель достигается тем, что перед проведением операции компактирования (прессования) смеси порошков, состоящей из порошка металла платиновой группы и порошка интерметаллида, проводят механоактивацию смеси в течение 5-15 минут. После этого полученную смесь прессуют, после чего проводят сплавление методом аргонно-дуговой плавки или спекание в атмосфере аргона.

Сущность изобретения состоит в следующем. Механоактивация смеси порошков металла платиновой группы и интерметаллида приводит к уменьшению среднего размера частиц более, чем в 2 раза после 5 мин активации и в 10 раз после 15 мин активации, уменьшению в несколько раз среднемассового размера и повышению в несколько раз удельной поверхности частиц порошка. Кроме этого, процесс механоактивации приводит к увеличению дефектности и энергонасыщенности активируемых материалов за счет пластического деформирования и дробления.

Совместная механоактивация основных составляющих катодного материала (порошка матрицы и порошка интерметаллида) уже до стадии прессования позволяет получить равномерное распределение интерметаллида в матрице и повысить активность взаимодействующих порошков в процессе сплавления (спекания).

Существенно меньшие размеры частиц порошка металла платиновой группы и интерметаллида после процесса механоактивации, высокие значения удельной поверхности частиц, а также его повышенная активность еще и за счет выделения в технологическом процессе запасенной энергия позволяют добиться более равномерного распределения интерметаллида в матрице благородного металла (например: Pd₅Ba (Pt₅Ba) в матрице Pd (Pt)) и за счет этого повысить КВЭЭ, к.п.д. и процент выхода годных приборов.

Пример 1. Методом аргонно-дуговой плавки по описанной выше методике получали стехиометрический сплав Pd₅Ba (20,51% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.

После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава Pd₅Ba смешивали на смесителе с 29,37 г порошка Pd марки ППд1 ПдАП-1 СТО 00195200 - 040-2008 (для получения в итоге соединения Pd-Ba с содержанием 1,9% мас. содержания Ва). Полученную смесь порошков загружали в планетарную мельницу АГО-2С и проводили механоактивацию в течение 10 мин. Процесс механоактивации проводился с использованием стальных шаров и стального барабана.

После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см². Полученную прессовку порошков (Pd-Pd₅Ba) помещали на дно лунки медного водоохлаждаемого кристаллизатора установки дуговой плавки А 535.02 ФО. Производили откачку рабочей камеры установки дуговой плавки до давления 10^-2 Па, после чего напускали аргон до давления 1,5 атм. Далее подавали питание на вольфрамовый электрод. Под воздействием концентрированной тепловой энергии, выделяющейся в плазме разряда, происходило расплавление металлов в лунке кристаллизатора с образованием сплава Pd-Ba.

Из образовавшегося сплава Pd-Ba прокатывали фольгу толщиной h=200 мкм. Из разных частей прокатанного образца было изготовлено восемь катодов для магнетронов. Для каждого катода измеряли КВЭЭ и работу выхода электрона. Полученные результаты сравнивали с результатами испытаний катодов и магнетронов, полученных по технологии прототипа (без применения механоактивации) (см. табл. 1).

Пример 2. Методом аргонно-дуговой плавки по описанной выше методике получали стехиометрический сплав Pt₅Ba (12,34% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.

После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава Pt₅Ba смешивали на смесителе с 21,68 г порошка Pt марки ПлАП-0 ГОСТ 14837-79 (для получения в итоге соединения Pt-Ва с содержанием 1,5% мас. содержания Ва). Полученную смесь порошков загружали в планетарную мельницу АГО-2С и проводили механоактивацию в течение 12 мин. Процесс механоактивации проводился с использованием стальных шаров и стального барабана.

После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см². Полученную прессовку порошков (Pt-Pt₅Ba) помещали на дно лунки медного водоохлаждаемого кристаллизатора установки дуговой плавки А 535.02 ФО.

Далее все операции по получению сплава Pt-Ba проводились аналогично примеру 1.

Из полученной ленты Pt-Ba было изготовлено 5 катодов.

Результаты испытаний катодов на основе сплава Pt-Ba, приготовленного с использованием операции механоактивации смеси порошков (Pt-Pt₅Ba), представлены в табл. 2.

Пример 3. Методом аргонно-дуговой плавки по методике, описаной в прототипе, получали стехиометрический сплав Pd₅Ba (20,51% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.

После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава Pd₅Ba смешивали на смесителе с 29,37 г порошка Pd марки ППд1 ПдАП-1 СТО 00195200 - 040-2008 (для получения в итоге соединения Pd-Ba с содержанием 1,9% мас. содержания Ва). Полученную смесь порошков загружали в планетарную мельницу АГО-2С и проводили механоактивацию в течение 10 минут. Процесс механоактивации проводился с использованием стальных шаров и стального барабана.

После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см². Полученную прессовку порошков (Pd-Pd₅Ba) помещали в печку. Производили откачку рабочей камеры установки дуговой плавки до давления 10^-2 Па. После чего напускали аргон до давления 1,5 атм. Далее проводили спекание прессовки.

Из образовавшегося материала Pd-Ba прокатывали фольгу толщиной h=200 мкм. Из разных частей прокатанного образца было изготовлено восемь катодов для магнетронов. Для каждого катода измеряли КВЭЭ. Полученные результаты сравнивали с результатами испытаний катодов и магнетронов, полученных по технологии прототипа.

Как видно из табл. 1, табл. 2 и табл. 3, операция механоактивации смеси порошков металла платиновой группы и интерметаллида на основе бария и того же металла платиновой группы существенно влияет на характеристики катодов и приборов на их основе.

В частности, для сплава (спеченной прессовки) Pd-Ba КВЭЭ повышается на (10,9-15,0)%. Для сплава Pt-Ba предложенное техническое решение приводит к росту КВЭЭ на (12-14,2)%.

Процент выхода годных магнетронов при использовании катодов на основе сплава Pd-Ba, изготовленного с применением предложенного технического решения увеличивается (3,0-10,0)% на по сравнению с технологией прототипа.

Ограничения по количеству времени механоактивации выбраны исходя из следующих соображений. При механоактивации порошка исходной навески порошка металла платиновой группы меньше 5 мин эффект от омеханоактивации не дает заметного результата. В то же время, когда время механоактивации больше 15 мин, дальнейшего качественного роста свойств катодного сплава не наблюдается, но начинает сказываться появление в материале катода материала намола (материала барабана и мелющих тел).

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для изготовления эффективных термо- и вторичноэмиссионных катодов для мощных приборов СВЧ-электроники, в частности ламп бегущей волны, магнетронов и т.п. Способ получения катодного материала на основе металла платиновой группы и бария включает получение путем плавления интерметаллида металла платиновой группы с барием, его размол в атмосфере инертных газов или СО₂, смешивание полученного порошка интерметаллида с порошком металла платиновой группы, входящего в упомянутый интерметаллид, в количестве, необходимом для получения материала с заданным составом, прессование, спекание или плавку в атмосфере аргона, при этом перед прессованием проводят механоактивацию полученной смеси порошка в течение 5-15 минут. Способ позволяет на (12-15)% повысить коэффициент вторичной электронной эмиссии сплавов и в результате повысить процент выхода годных приборов. 3 табл., 3 пр.

Способ получения катодного материала на основе металла платиновой группы и бария, включающий получение путем плавления интерметаллида металла платиновой группы с барием, его размол в атмосфере инертных газов или СО₂, смешивание полученного порошка интерметаллида с порошком металла платиновой группы, входящего в упомянутый интерметаллид, в количестве, необходимом для получения материала с заданным составом, прессование, спекание или плавку в атмосфере аргона, отличающийся тем, что перед прессованием проводят механоактивацию полученной смеси порошка в течение 5-15 минут.