Исследование фазового и примесного состава лент катодных сплавов Pt-Ba

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование фазового и примесного состава лент катодных сплавов Pt-Ba

В.Г. Костиши, С.Д. Калошкин, А.Г. Налогин, А.Ю. Адамцов,

Е.К. Горский, Дровенкова Г.В.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119049, г. Москва, Ленинский проспект, 4

АО «НПП «Исток» им. Шокина, 141190, г. Фрязино, Московская область, ул. Вокзальная, 2 а

Аннотация: В работе впервые с использованием современных аналитических методов изучен фазовый и примесный состав катодных сплавов Pt-Ba, полученных по промышленной технологии. Установлено, что концентрация вредных примесей (C, Zn, Ba, Cu) в объектах исследования не превышает установленные к данным материалам нормы. Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгенофазового анализа подтверждена обнаруженная ранее двухфазность сплавов Pt-Ba, из которых одна фаза - интерметаллическое соединение (Pt5Ba), вторая - платина (матрица), причем интерметаллид очень неравномерно распределен в матрице. Установлено, что в сплавах Pt-Ba зерна Pt - мелкие (в несколько сотен нм), а зерна Pt5Ba - крупные (составляют несколько мкм) и более совершенные. Внутри зерен Pt5Ba имеются напряжения.

Предложены технологические приемы для улучшения однородности сплава.

Ключевые слова: металлосплавные катоды, Pt-Ba, эмиссионные свойства, просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, примесный состав, коэффициент вторичной электронной эмиссии.

Введение. Одним из основных типов катодов, широко применяющихся в современной СВЧ-электронике являются металлосплавные катоды. Этот тип катодов впервые был создан в СССР, - на АО «НПП «Исток» им. Шокина в начале 60-х годов [1,2].

Металлосплавные катоды обладают рядом свойств, характерных для чистых металлов: устойчивостью эмиссии к действию электронной бомбардировки, высокой электро- и теплопроводностью, гладкостью поверхности. Максимальный коэффициент вторично-электронной эмиссии для разных сплавов составляет 1,8…3,0 [2].

Сплавы Pt-Ba представляют собой двухфазные сплавы с массовой долей бария 0,5-2,0 %, причем одна фаза - интерметаллическое соединение (Pt5Ba), вторая - благородный металл. Эмиссионные свойства Pt-Ba (работа выхода ц, коэффициент вторичной эмиссии у) обусловлены адсорбцией пленки бария, источником которого является соединение интерметаллида [2].

Объекты и методики экспериментальных исследований. Исследуемые сплавы были получены с помощью установки дуговой плавки А535.02ТО с нерасходуемым вольфрамовым электродом по технологии, разработанной на АО «НПП «Исток» им. Шокина [5,6].

С целью получения более равномерного распределения интерметаллида в матрице благородного металла, сплавы несколько раз отжигались [6], после чего методом горячего прессования из каждого сплава прокатывалась лента толщиной 200 мкм [7-10].

Определение содержания Zn, Ba, Pt, Fe проводили методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на оптическом эмиссионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6300 фирмы Thermo Scientific (США). Источник возбуждения спектров - индуктивно-связанная плазма мощностью 750-1350 Вт. Измерение интенсивности аналитических линий в диапазоне 166--867 нм. Оптическое разрешение - 0,007 нм на длине волны 200 нм.

Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ исследуемых образцов проводился на дифрактометрах «ДРОН-3М» (CuKб- излучение, графитовый монохроматор) и «Гайгерфлекс» фирмы Rigaku. В последнем случае в качестве источника рентгеновского излучения использовалась трубка с железным анодом (рабочий ток - 25 мА, напряжение - 25 кВт). Длина волны излучения л=0,193728 нм. При регистрации спектров образцов использовался фильтр из Mn. Фокусировка осуществлялась по методу Брэгга-Бретано с двумя щелями Соллера. Измерения проводились при комнатной температуре.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) объектов исследования проводилась на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2000 EX (Япония). Для проведения таких исследований из лент Pt-Ba по специальной методике готовились образцы толщиной 100 мкм и диаметром 3,0 мм, в которых с помощью димпл-гриндера делалась сферическая лунка с толщиной сплава в центре в несколько мкм.

Результаты исследований и обсуждение. В табл. 1 представлены результаты изучения примесного состава катодных лент Pt-Ba.

Таблица 1

Результаты исследования состава катодных лент Pt-Ba

Дифрактограммы образцов ленты катодного сплава Pt-Ba показали, что все образцы являются двухфазными и содержат: фазу Pt (матрица) и Pt5Ba (интерметаллид) в матрице. На рисунке 1 приведена дифрактограмма от поверхности образца ленты катодного сплава Pt-Ba.

состав катодный сплав

Рисунок 1 - Дифрактограмма от поверхности образца ленты катодного сплава Pt-Ba

На рисунке 2 приведена дифракционная картина с локальной области образца, полученная методом просвечивающей электронной микроскопии. Расположение дифракционных максимумов на кольцевой электронограмме отвечает фазе Pt, наблюдаются отдельные рефлексы, принадлежащие фазе Pt5Ba. Фаза Pt - кристаллическая, мелкодисперсная.

На рисунке 3а приведено светлопольное изображение, на котором хорошо видна дисперсная структуры платины и крупное включение частицы фазы Pt5Ba. На рисунке 3б приведено темнопольное изображение, полученное в рефлексе, принадлежащем фазе Pt5Ba.

Рисунок 2 - Дифракционная картина с локальной области образца катодной ленты сплава Pt-Ba

(а) (б)

Рисунок 3 - Светлопольное (а) и темнопольное (б) ПЭМ-изображение частицы фазы Pt5Ba в образце ленты катодного сплава Pt-Ba

На рисунке 4 приведены обзорные снимки структуры платины (матрицы) образца ленты катодного сплава Pt-Ba.

Средний размер зерен порядка 200-300 нм. Внутри зерен имеется достаточно высокая плотность хаотически расположенных дислокаций. Зерна фрагментированы, иногда фрагменты зерен разделены дислокационными сетками.

Рисунок 4 - Светлопольные ПЭМ-изображения дефектной, мелкодисперсной структуры платины образца ленты катодного сплава Pt-Ba

Более подробные изображения внутренней структуры зерна приведены на рисунке 5. В отличие от зерен Pt, включения фазы Pt5Ba - достаточно совершенные. Экстинционные контуры в частицах Pt5Ba говорят о наличии внутренних напряжений. Включения второй фазы - гораздо крупнее, чем зерна платины, и составляют порядка единиц микрон. Пример включений фазы Pt5Ba приведен на рисунке 6.

Рисунок 5 - ПЭМ-изображения внутренней структуры зерна платины в образце ленты катодного сплава Pt-Ba

Рисунок 6 - ПЭМ-изображения отдельных крупных частиц фазы Pt5Ba в образце ленты катодного сплава Pt-Ba

Данные локального энергодисперсионного анализа подтверждают, что крупные частицы - это фаза Pt5Ba. На рисунке 7 приведены светлопольные изображения границы фаз Pt и Pt5Ba. На изображениях 7 представлены изображения и спектры соответствующие данным областям анализа.

Рисунок 15- ПЭМ-изображения зерен двух фаз (Pt и Pt5Ba) и данные энерго-дисперсионного анализа в крупных включениях второй фазы для образца ленты катодного сплава Pt-Ba

Данные элементного анализа фазы в областях 1 и 2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Данные локального количественного элементного анализа в в фазе интерметаллида Pt5Ba образца ленты катодного сплава Pt-Ba

Следует отметить, что данные табл. 2 достаточно точно отражают реальную картину: содержание Ba в стехиометрическом Pt5Ba составляет 12,34 вес.%.

Заключение

В работе впервые с использованием самого современного аналитического оборудования проведено комплексное исследование фазового и примесного состава образцов катодных лент сплавов Pt-Ba, полученных по технологии, разработанной на АО «НПП «Исток» им. Шокина. В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Разработанная технология позволяет получать сплавы Pt-Ba с концентрацией вредных примесей, не превышающей установленные к данным материалам нормы. Обнаружено повышенное содержание Ba в сплавах Pt-Ba, что не сказывается на качестве последних.

2. Методами ПЭМ и РФА подтверждена обнаруженная ранее двухфазность сплавов Pt-Ba, причем одна фаза - интерметаллическое соединение (Pt5Ba), вторая - благородный металл (матрица). Характерно, что интерметаллид очень неравномерно распределен в матрице металла платиновой группы.

3. Установлено, что в сплавах Pt-Ba зерна Pt - мелкие (в несколько сотен нм), а зерна Pt5Ba - крупные (составляют несколько мкм) и более совершенные. Внутри зерен Pt5Ba имеются напряжения.

4. С целью увеличения однородности распределения интерметаллида в сплавах Pt-Ba требуется доработка технологии. Увеличение однородности такого распределения позволит существенно повысить эксплуатационные характеристики приборов на основе данных сплавов и увеличить процент выхода годных приборов.

Работа выполнена в НИТУ «МИСиС» в рамках договора № 33/241-13 от 11 ноября 2013 г. на выполнение составной части научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы «Разработка технологий создания катодных сплавов на основе щелочноземельных и редкоземельных металлов для мощных электровакуумных СВЧ-приборов», шифр «Электровакуум - МИСиС» (тема №1219111).

Литература

1. Дюбуа Б.Ч., Култашев О.К., Поливникова О.В. Эмиссионная электроника, нанотехнология, синергетика (к истории идей катодной технологии) // "Электронная техника". Серия 1, "СВЧ-техника". 2008. №4. С. 3-22.

2. Дюбуа Б.Ч., Королев А.Н. Современные эффективные катоды. // "Электронная техника". Серия 1, "СВЧ-техника". 2011. №508. С. 5-24.

3. Мясников А.С. Металлоспланые катоды для магнетронов миллиметрового диапазона с торцевой пушкой.: дис. канд. техн. наук

4. Дюбуа Б. Ч., Королёв А. Н. Современные эффективные катоды // Электронная техника, серия 1, СВЧ - техника. 2011. №1. С. 508.

5. Есаулов Е.П. Методы электроплавки при разработке спецсплавов для радиоэлектроники // Электрометаллургия. 2011. №4. C. 30-33.

6. Пашков А.Н., Романова Ю.В., Попов Р.Н., Дубинина О.В., Хабачев М.Н. Современные эффективные катоды. // "Электронная техника". Серия 1, "СВЧ-техника". 2011. №4. С. 72-77.

7. Carman P.C. Flow of Gases throws Porous Media // London: 1956.

8. Rusinov P.O., Blednova Zh.M. Surface modification of parts material shape memory TiNiCo with a view to providing a functional and mechanical property as a factor in resource. // Journal of Surface Engineered Materials and Advanced Technology. 2014. №4. pp. 348-358.

9. Христофорова А.А., Филиппов С.Э., Гоголев И.Н. Разработка жестких покрытий карьерных дорог с применением активированной резиновой крошки // Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/599

10. Аникеев В. Н., Докукин М.Ю. Экспериментальные исследования режимов получения шероховатых металлических поверхностей в вакуумном дуговом разряде // Инженерный вестник Дона. 2013. №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2013/1757

Размещено на Allbest.ru