大功率行波管螺旋線及其低微波損耗表面復合涂層制造技術

一種大功率行波管螺旋線及其低微波損耗表面復合涂層，該表面復合涂層由內至外依次為W或Mo作為基體材料的螺旋線基體，Ni過渡層，以及Au、Cu或Ag作為表面低導涂層材料的表面低導涂層。該涂層采用與基體和高電導率涂層間能夠形成牢固結合的過渡層，并形成一種多層梯度結構，從而實現低成本、高可靠、高性能的涂層制備，有效降低螺旋線的高頻發熱。（*該技術在2021年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及用于大功率行波管螺旋線的低微波損耗復合涂層。
技術介紹
螺旋線型行波管是大功率行波管中一種廣泛使用的形式，廣泛應用于通信系統、雷達系統等多領域。行波管中的發生基本物理過程是使電子的速度稍大于行波相速，行波管中的電子產生群聚，電子被場減速而交出部分能量給行波場，使行波振幅不斷增長。這種放大作用隨著行波的前進而不斷積累起來，最后從慢波系統的輸出端輸出被放大的高頻信號。高頻下的散熱問題是大功率行波管性能提高面臨的瓶頸問題。在螺線型行波管結構中，螺旋線的主要作用是作為慢波線路中的電子注結構。因此螺旋線的高頻發熱除了電子轟擊、反射能量外，高頻下的損耗產生熱量是主要來源之一。解決螺旋線的高頻發熱是改善大功率行波管散熱問題的關鍵。由于在高溫下需要保持螺旋線結構，因此其基體材料一般選用高溫特性好、強度高的W(Mo)等材料制成。而W(Mo)等金屬與其他高電導率的金屬較難形成牢固穩定的結合。由本技術研發單位完成的專利(專利申請號CN201020697022. 5)公開了ー種帶有Ti涂層的螺線管的低電阻率復合涂層，極大地改善了螺線管的微波損耗。但就エ藝復雜性而言，在W(Mo)等金屬表面制備具備“軟”性的Ti過渡層，ー是W-Ti難以形成完全合金相，從而需要離子注入等形式，以提高基體與Ti層之間的結合，帶來了エ藝的復雜性和制備成本；另一問題是Ti的抗氧化性較差，非常容易氧化而造成與Au、W間結合可靠性的下降，因而需要在非常高的真空環境下制備，這也帶來了エ藝難度的増加。
技術實現思路
本技術的目的在于，采用更為理想的復合涂層結構，形成穩定的基體、表面涂層與過渡層金屬間穩定的冶金結合，從而可以更低的成本、更簡化的エ藝制備高性能、高可靠的低微波損耗表面復合涂層，有效降低螺旋線高頻發熱。為實現上述目的，本技術包括如下技術方案—種大功率行波管用低微波損耗表面復合涂層，由內至外依次為W或Mo作為基體材料的螺旋線基體，Ni過渡層，以及AiuCu或Ag作為表面低導涂層材料的表面低導涂層。如上所述的表面復合涂層，其中，該基體材料優選為W或Mo。如上所述的表面復合涂層，其中，該表面低導涂層材料為微波電阻率優于W和Mo的金屬。如上所述的表面復合涂層,其中，該表面低導涂層材料優選為Au、Cu或Ag。如上所述的表面復合涂層，其中，該Ni過渡層的厚度優選為f lOOnm，以保證熱處理充分形成具有非磁性的合金相。如上所述的表面復合涂層，其中，該表面低導涂層的厚度優選為flOym，表面低導涂層的厚度大于工作微波頻率下趨膚深度，從而保證微波傳導主要在表層進行。另ー方面，本技術還包括一種大功率行波管螺旋線，其表面具有如上所述的表面復合涂層。本技術的有益效果在于表面高電導率金屬可以降低由于W、Mo等基體材料本征特性帶來的在高頻場下的發熱效應，提高行波管的功率。采用與基體和表面高電導率金屬層具有良好相容性的金屬中間層，提高了基體和表面結合力；由于過渡層金屬與功能層和基底均有良好的結合，因此無需采用復雜的、以增加結合力為目的的離子注入等エ序，只需將復合涂層在特定條件下進行常規熱處理工藝，就可以形成高可靠、高性能的復合涂層，降低了材料エ藝成本。附圖說明圖I是大功率行波管用螺旋線結構示意圖。圖2是本技術表面復合涂層熱處理前的結構示意圖。圖3是本技術表面復合涂層經過熱處理后的結構示意圖。圖4是用于制備本技術表面復合涂層的動態磁控濺射裝置結構示意圖。具體實施方式下面將結合附圖和具體實施例子對本技術作進ー步說明。實施例I大功率行波管用用低微波損耗表面復合涂層如圖3所示，本技術ー種優選實施方式的大功率行波管用用低微波損耗表面復合涂層，由內至外依次為螺旋線基體31，Ni過渡層32和表面低導涂層33。Ni過渡層的厚度為flOOnm，表面低導涂層的厚度為flOym。實施例2制備大功率行波管用螺旋線(一)取常規大功率行波管用W螺旋線，如圖I所示，其長度為100mm，截面為Φ O. 3mm的圓形，螺距O. 7mm,繞徑I. 5mm。螺旋線在真空中經過除氣處理，并分別經過無水こ醇、丙酮超聲清洗20分鐘。將螺旋線吊裝在吊裝夾具上，采用動態離子束濺射方式，在6-10根螺旋線的內外表面同時制備Ni膜。Ni膜制備的本底真空〈I X10_3Pa，制備時間為lmin，獲得Ni膜的厚度為 10_20nm。更換離子鍍靶材為Au靶，在具有Ni膜的螺旋線表面制備Au涂層。其本底真空條件與Ni膜制備基本相同，制備時間為3小吋，獲得Au膜的厚度大于2 μ m。形成的復合涂層結構如圖2所示，由內至外依次為W螺旋線基體21、Ni層22和Au涂層23，復合涂層在螺旋線內外表面均勻分布。制備好復合涂層的螺旋線在真空條件下、于保護氣氛或還原氣氛中，在800-950° C進行退火處理。經2小時的退火處理后，涂層與基底結合牢固，無表層脫落現象。根據Ni-W與Ni-Au相圖分析，在類似的熱處理條件下，Ni與W基底和Au涂層間分別形成具有高度結合的合金相，從而使得Au涂層可以牢固地制備在W螺旋線表面，其形成的結構如圖3所示，由內至外依次為W螺旋線基體31，由Ni-W、Ni-Au梯度層構成的Ni過渡層32和Au涂層33。掃描電鏡照片顯示，采用該技術在W螺旋線表面制備的Au可對W螺旋線實現均勻的全涂覆，微觀形貌觀察表明該Au涂層結晶良好，表面致密、均勻，具有典型多晶形貌。實施例3制備大功率行波管用螺旋線(ニ)取常規大功率行波管用W螺旋線，其長度為100_，截面為O. 6mmXO. 2mm的矩形，螺距I. Omm,繞徑2. 5_。螺旋線在真空中經過除氣處理，井分別經過無水こ醇、丙酮超聲清洗20分鐘。將螺旋線吊裝在吊裝夾具上，采用動態離子離子束濺射鍍方式，在6-10根螺旋線的內外表面同時制備Ni膜。Ni膜制備的本底真空〈I X10_3Pa，制備時間為lmin，獲得Ni膜的厚度為10-20nm。采用動態磁控濺射方法，在具有Ni膜的螺旋線表面制備Au涂層。裝置如圖4所示，該裝置包括位于裝置中心的濺射靶材41和環繞該濺射靶材的自轉公轉聯合轉臺42， 螺旋線43垂直懸掛在轉臺上。濺射過程中，螺旋線圍繞軸心自轉的同時圍繞濺射靶材作公轉運動，從而實現在螺旋線各個方向的表面上均勻鍍膜。Au膜磁控濺射的本底真空〈O. 5 X l(T3Pa，濺射功率100W，濺射制備時間48min。制備好復合涂層的螺旋線在真空條件下、于保護氣氛或還原氣氛中，在800-950° C退火處理2小吋。經納米劃痕法測試平面樣品，其結合力大于ION ;并經實際刮涂方法驗證，該涂層與基底結合牢固。實施例4制備大功率行波管用螺旋線(三)取常規大功率行波管用W螺旋線，其長度為100mm，截面為Φ0. 4mm的圓形，螺距O. 7mm,繞徑 I. 5mm。螺旋線在真空中經過除氣處理，并分別經過無水こ醇、丙酮超聲清洗20分鐘。采用如圖4所示的動態磁控濺射裝置，在6-10根螺旋線的內外表面同時制備Ni膜。Ni膜制備的本底真空〈I X 10 ,制備時間為8min，濺射功率100W，獲得Ni膜的厚度為 10_20nm。對制備Ni膜后的螺旋線采用常規方法在化學鍍溶液中進行化學鍍Au。化學鍍溶液的配方包括L氰化金鉀、氰化鉀、氫氧化鉀、氫本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大功率行波管用低微波損耗表面復合涂層，其特征在于，該表面復合涂層由內至外依次為W或Mo作為基體材料的螺旋線基體，Ni過渡層，以及Au、Cu或Ag作為表面低導涂層材料的表面低導涂層。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李弢，呂旭東，屈飛，郜健，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：實用新型
國別省市：