СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО КАТОДА
METHOD OF MAKING COMPOSITE CATHODE

Изобретение относится к пайке и может быть использовано, в частности, для изготовления композиционных катодов из тугоплавких материалов, применяемых для вакуумного нанесения тонкопленочных покрытий различного функционального назначения в машиностроении, микроэлектронике, приборостроении, электротехнике.
Для получения тонкопленочных покрытий необходимы композиционные катоды, обеспечивающие возможность формирования сложных покрытий различного стехиометрического состава и нанесения адгезионно прочных покрытий.
Высокое качество работы композиционного катода достигается за счет хорошей сопротивляемости к динамическим воздействиям, к искрению, бомбардировке и другим разрушающим факторам, а также способности работать при температурах, более высоких, чем средняя рабочая температура, и рассеивать дополнительные большие мощности, вносимые обратной бомбардировкой электронов.
Создание композиционных катодов необходимо для хрупких и труднодеформируемых материалов, из которых невозможно изготовление стандартной конструкции катода.
Практика показывает, что наиболее эффективным способом получения композиционного катода является пайка разнородных катодных материалов.
Известен способ пайки труднопаяемых материалов, заключающийся в подготовке (очистке) поверхности материалов под последующую пайку (заявка RU №93009686, кл. B23K 1/20, от 24.02.1993 г.). Паяемые элементы облуживают легкоплавкими эвтектическими сплавами висмута, индия, олова, кадмия, свинца, галлия на воздухе при температуре до 60°C и выдерживают при этой же температуре в течение 0,5-1,5 ч. После такого облуживания становится возможной пайка металлокерамическими (диффузионно-твердеющими) или мягкими (свинцово-оловянными) припоями.
Известен способ пайки разнородных соединений циркония, где путем регулирования процесса взаимодействия циркония с припоем и паяемым металлом достигается повышение качества паяных соединений циркония с рядом конструкционных металлов (патент RU №2074797, кл. B23K 1/20, от 12.10.1994 г.). Последнее достигается за счет двухэтапности образования соединения: создания жидкометаллического барьерного слоя из легкоплавкого металла на цирконии - на первом этапе, и процесс пайки облуженного циркония с другим конструкционным металлом в вакууме в заданном температурно-временном диапазоне (973-1073 К и 1-3 мин), обеспечивающем условия для диспергирования конструкционного металла в легкоплавком припое с последующим охлаждением разнородного соединения, - на втором.
Известен способ пайки металлов, преимущественно деталей летательных аппаратов из титана и его сплавов, с предварительной металлизацией соединяемых поверхностей, при котором детали помещают в нагревательную среду, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соединения, в нагревательную среду вводят ультразвуковые колебания (патент RU №211289, кл. B23K 1/06, от 12.08.1996 г.).
Экспериментальные работы, проведенные в области создания композиционных припоев, показали, что известные способы имеют следующий недостаток: при предварительном облуживании или металлизации основания катода диффузия наносимого материала на катод минимальна и пайка легкоплавкими припоями композиционного катода не обеспечивает требуемых прочностных характеристик паяного соединения при его работе в магнетроне.
Наиболее близким к заявляемому и взятым нами за прототип является способ соединения элементов композиционной мишени из тугоплавкого и труднодеформируемого материалов.
Способ основан на подготовке (очистке) контактных поверхностей и соединении их пайкой (патент RU №2104130, кл. B23K 1/00, от 01.08.1996 г.). Пайку проводят аморфным припоем. Паяемые элементы нагревают до температуры 0,4-0,6 температуры ликвидуса припоя. Производят первую изотермическую выдержку в течение 20-30 мин. Нагревают паяемые элементы до температуры 1,1-1,2 температуры ликвидуса припоя, производят вторую изотермическую выдержку в течение 5,0-2,0 мин и охлаждают в два этапа. Пайку ведут порошком сплава системы медь-никель-фосфор фракции 20-100 мкм из ленты толщиной 30-50 мкм.
В прототипе используется пайка разнородных материалов, таким образом, что паяное соединение представляет из себя многослойную композиционную составляющую из распыляемого материала, самостоятельной фазы и поверхности основания мишени. Наличие указанных гетерофазных переходов и связанная с этим существенная разница в коэффициенте термического расширения этих материалов приводит, во-первых, к резкому повышению переходного электросопротивления. Это обстоятельство вызывает заметную нестабильность процесса напыления. Во-вторых, возникают так называемые коэффициентные напряжения, которые приводят к расслаиванию паяного шва и выходу из строя катода в процессе эксплуатации.
Техническим результатом изобретения является разработка технологии пайки композиционного катода из тугоплавких материалов, используемого для вакуумного нанесения тонкопленочных покрытий различного функционального назначения, обеспечивающего получение паяного соединения с высокой механической прочностью.
Технический результат достигается за счет нанесения на основание катода методом холодного газодинамического напыления аморфного припоя, а на поверхность тыльной стороны распыляемой части катода - двухкомпонентного функционально-градиентного покрытия, в котором в качестве первой компоненты используют компоненту, из которой выполнена распыляемая часть катода, причем содержание материала первой компоненты изменяют по линейному закону от 100% на поверхности тыльной стороны распыляемой части катода до 0% на поверхности получаемого покрытия, а в качестве второй компоненты используют компоненту, из которой изготовлено основание катода, причем содержание материала второй компоненты изменяют от 0% на поверхности тыльной стороны распыляемой части катода до 100% на поверхности получаемого покрытия.
Согласно методу холодного газодинамического напыления частицы материала покрытия ускоряют посредством их введения в распылительное сопло с холодным газом в направлении к снабжаемой покрытием поверхности детали. В данном случае метод холодного газодинамического напыления включает в себя подачу из дозатора №1 первого компонента, родственного материалу распыляемой части катода, обеспечивающего формирование подслоя, имеющего хорошую адгезию с материалом распыляемой части катода. Затем совместно из дозатора №1 и №2 наносят двухкомпонентное функционально-градиентное покрытие, являющееся подслоем для нанесения второй компоненты, родственной материалу основания. После чего из дозатора №2 производят нанесение второго компонента на поверхность предыдущего подслоя.
Кроме того, технический результат достигается за счет выбора оптимального количества припоя, обеспечивающего 100% растворение припоя в подслое, сформированном на распыляемой и основной частях катода.
Припой наносится методом холодного газодинамического напыления на основание катода. Толщина припоя должна быть не более 10 мкм.
Пайку в предлагаемом способе ведут в вакууме, нагревая паяемые элементы до температуры, равной 0,6-0,7 температуре ликвидуса припоя. После чего производят первую изотермическую выдержку в течение 30-40 мин и охлаждают. Затем паяемые элементы нагревают до температуры, равной 1,1-1,2 температуре ликвидуса припоя, и производят вторую изотермическую выдержку в течение 15-20 мин и охлаждают.
Температурно-временной режим пайки выбран таким образом, чтобы за счет процессов диффузии количество припоя уменьшить до концентрации, соответствующей предельной растворимости последнего.
Пример осуществления способа
Для практического осуществления изобретения проводили пайку композиционного катода, состоящего из распыляемой части, выполненной из Ru методом прессования порошка и основания, выполненного из Ti.
Соединяемые детали представляли собой цилиндры для распыляемой части катода диаметром 50 мм и высотой 40 мм, а для основания катода диаметром 50 мм и высотой 10 мм.
На тыльную сторону распыляемой части катода методом холодного газодинамического напыления наносился порошок Ru, подача которого осуществлялась из дозатора №1, и при этом формировался подслой Ru, имеющий хорошую адгезию с материалом распыляемой части катода. Затем совместно из дозатора №1 и №2 наносилось двухкомпонентное функционально-градиентное покрытие, являющееся подслоем для нанесения Ti, при этом количество Ti изменялось от 0 до 100%. После чего из дозатора №2 производят Ti на поверхность предыдущего подслоя распыляемой части катода.
Перед пайкой с поверхности распыляемой части и основания катода удаляли загрязнения.
Припой марки СТЕМЕТ-1201 (система Ti-Zr-Ni-Cu) в виде порошка дисперсностью 20-30 мкм, полученного из аморфной ленты методом дезинтеграторной обработки, наносился методом холодного газодинамического напыления на титановое основание катода.
-3
Собранные части композиционного катода размещали в рабочем объеме вакуумной печи электросопротивления типа СНВЭ. Пайку осуществляли в вакууме при остаточном давлении не выше 5×10 Па по следующему температурному режиму:
- нагрев до температуры 700°C со скоростью 20-40°C/мин;
- изотермическая выдержка при температуре 700° - 30-35 мин;
- нагрев до температуры 850°C со скоростью 20-40°C/мин;
- изотермическая выдержка при температуре 850°C - 20 мин;
- охлаждение до температуры 650°C со скоростью 5-10°C/мин;
- охлаждение от температуры 650°C с минимальной скоростью до комнатной температуры.