СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛА ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ И БАРИЯ
METHOD FOR PRODUCING CATHODE MATERIAL BASED ON METAL OF PLATINUM GROUP AND BARIUM

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.
5
5
Полученный сплав является двухфазным и представляет собою матрицу тугоплавкого металла (Pd, Pt) с включениями интерметаллического соединения (PdBa; PtBa).
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.
5
5
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, PdBa (PtBa)). 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).
5
5
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: PdBa (PtBa) в матрице Pd (Pt)) и за счет этого повысить КВЭЭ, к.п.д. и процент выхода годных приборов.
5
Пример 1. Методом аргонно-дуговой плавки по описанной выше методике получали стехиометрический сплав PdBa (20,51% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.
5
После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава PdBa 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.
2
-2
5
После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см. Полученную прессовку порошков (Pd-PdBa) помещали на дно лунки медного водоохлаждаемого кристаллизатора установки дуговой плавки А 535.02 ФО. Производили откачку рабочей камеры установки дуговой плавки до давления 10 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).
5
Пример 2. Методом аргонно-дуговой плавки по описанной выше методике получали стехиометрический сплав PtBa (12,34% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.
5
После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава PtBa 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.
2
5
После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см. Полученную прессовку порошков (Pt-PtBa) 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.
5
Результаты испытаний катодов на основе сплава Pt-Ba, приготовленного с использованием операции механоактивации смеси порошков (Pt-PtBa), представлены в табл. 2.
5
Пример 3. Методом аргонно-дуговой плавки по методике, описаной в прототипе, получали стехиометрический сплав PdBa (20,51% мас. содержания Ва). Полученный сплав дробили в чугунной ступке для достижения среднего размера частиц 500-600 мкм.
5
После этой процедуры 3,0 г полученного порошка сплава PdBa 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.
2
-2
5
После механоактивации полученную смесь прессовали в штабик под давлением 5,0 т/см. Полученную прессовку порошков (Pd-PdBa) помещали в печку. Производили откачку рабочей камеры установки дуговой плавки до давления 10 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).