專利名稱：一種用于大電流密度m型陰極敷膜的合金靶材制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于合金靶材制備技術領域，特別涉及一種用于大電流密度M型陰極敷膜的合金靶材制備方法。
背景技術：
陰極是微波電真空器件的“心臟”，低工作溫度、高發(fā)射電流密度、高可靠性是器件對陰極材料的一貫要求。美國和俄羅斯的陰極性能水平處于國際領先地位，微波陰極材料最高發(fā)射能力為直流發(fā)射電流密度7A/cm2、壽命1000h，脈沖電流發(fā)射密度50A/cm2，壽命IOOOh0國內(nèi)與國外相比存在著很大的差距，實際應用的陰極器件直流電流發(fā)射密度僅為I 3A/cm2，脈沖電流密度3 6.5A/cm2，無法滿足毫米波行波管和大功率調(diào)速管等陰極電流密度4 15A/cm2的要求。敷膜陰極具有電子發(fā)射大、壽命長、耐電子轟擊等特點。但由于敷膜陰極的工作溫度高，因而加熱功率大，要提高陰極的發(fā)射水平就必須提高敷膜陰極的加熱效率使其在盡可能低的加熱功率下達到更高的發(fā)射，即低工作溫度、大電流發(fā)射。目前微波器件中大量采用的敷膜鋇鎢陰極，簡稱M型陰極。這種陰極由鎢海綿基體、浸潰于鎢海綿孔隙內(nèi)的鋇鋁酸鹽以及陰極表面的覆膜層組成。圍繞提高M型陰極的發(fā)射能力，研究人員在基體、發(fā)射材料及陰極表面敷膜層等方面開展了多項研究。鋇鎢陰極表面Ba-O化合物中氧原子和不同覆膜材料的鍵強，可以解釋覆膜陰極的發(fā)射能力。為了得到低電子逸出功的陰極，最重要的是在陰極工作器件陰極表面保持一個大的Ba-O偶極子鍵強。物質(zhì)的Ba-O鍵強小時，靜電斥力導致低的Ba-O覆蓋和高的陰極電子逸出功，所以影響陰極發(fā)射能力至關重要的是O-敷膜物質(zhì)的鍵強。Os的逸出功低，可使陰極的工作溫度降低50 100°C，蒸發(fā)率可下降近一個數(shù)量級。在鋇鎢浸潰陰極的表面濺射一層薄的Os、Ru、Ir、Re元素的金屬或合金薄膜可降低鋇鎢陰極表面逸出功，成倍提高陰極發(fā)射能力并降低陰極工作溫度，其抗離子反轟能力也有較大提升。M型陰極表面的覆膜層主要有純金屬薄膜和合金膜，現(xiàn)在國際上M型陰極已由覆純 Os 膜發(fā)展到 Os-1r、Os-Ru、Os-Re、Os-Rh 等，常用的有 Os-Ru、0s-1r_Al、Os-W 等。常用的敷膜方法有射頻濺射、離子濺射、有機金屬化學沉積等，覆膜用的靶材純度、成分、均勻性、致密度等對膜層的發(fā)射能力、發(fā)射均勻性和壽命有很大影響。靶材要求高純、高致密、高均勻，一定成分以獲得最低表面逸出功。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高純、高致密、高均勻的靶材制備工藝，以用于大電流密度M型陰極表面敷膜工藝。一種用于大電流密度M型陰極敷膜的合金靶材的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟:(I)原料粉末提純:采用濕法冶金工藝對原料Os、Ir、Re、Ru、Rh、W粉末進行提純，使其純度不低于99.95% ；(2)制備預合金粉末:預合金粉末為0sIr、0sRe、0sRu、0sRh、0sW、WRe中的任意一種或幾種，采用等離子體球化工藝制備預合金粉末，粉末粒度范圍5 11 μ m ;將制備預合金粉末的原料粉末在分散劑體系中均勻分散，洗滌，烘干，采用等離子體球化設備進行合金化，制備預合金粉末，Ar氣為工作氣體，H2為送粉氣體,中心氣體流速率1.5 2.8m3/h,送粉氣流速率0.1 0.25mVh ;混合粉末喂料速率30 60g/min ;等離子體功率80 IOOkW ；(3)制備含低熔點易揮發(fā)元素Al的鋨合金靶材時，通過制備含鋨預合金和中間合金來抑制Al的揮發(fā)和改善均勻性?？梢园磮D1所示裝配單元制備IrAl中間合金，燒結(jié)工藝為:以15 30°C /min的升溫速率升溫至500 900°C，燒結(jié)2 6h ;然后以5 15°C /s的升溫速率升溫至1600 2000°C，，燒結(jié)2 8h。破碎、球磨得中間合金粉末；(4)氫氣燒結(jié)制備鋨合金將預合金粉末冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)；燒結(jié)工藝如下:以15 25°C /min的升溫速率升溫至800 1100°C，燒結(jié)3 5h ;然后以10 20°C /min的升溫速率升溫至1600 2000°C，燒結(jié)5 8h ;再以5 15°C /min的升溫速率升溫至2500 3100°C，燒結(jié)6 10h，再冷卻，冷卻速率10 15°C /min，氫氣流量45 50L/h。制備含鋁的鋨合金靶材時，將預合金粉末與中間合金粉末混合均勻，冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)，工藝如下:以15 25°C/min的升溫速率升溫至500 1100°C，燒結(jié)5 7h ；然后10 20°C /min的升溫速率升溫至1500 2500°C，燒結(jié)8 12h，再冷卻，冷卻速率5 10°C /min，氫氣流量35 40L/h ；(5)精細加工合金靶材:燒結(jié)后的合金經(jīng)線切割、磨床加工至規(guī)定尺寸。本發(fā)明采用粉末冶金工藝制備用于大電流密度M型陰極表面敷膜的合金靶材。將合金鍍覆至M型陰極表面可有效降低陰極表面的功函數(shù)，提高陰極發(fā)射能力。在對原料粉末提純的基礎上，利用等離子體球化技術制備OsRe、OsRu, OsIr, OsRh, Osff, WRe等預合金粉末，有助于獲得高純和高均勻的靶材。合金均勻性提高有助于陰極發(fā)射穩(wěn)定性改善。采用真空燒結(jié)制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的IrAl中間合金,有效抑制合金燒結(jié)時招的揮發(fā),可穩(wěn)定合金成分并提高靶材均勻性。采用多段氫氣燒結(jié)工藝，獲得高致密度的鋨合金靶材。本發(fā)明研制的鋨合金系列靶材具有高純、高致密、高均勻的特點，同時可通過調(diào)整組元及其含量，滿足M型陰極大電流發(fā)射的要求。本發(fā)明方法制備的靶材成分均勻、致密度高、純度高。將該成分靶材合金鍍覆至鋇鎢陰極表面可降低表面逸出功，提高陰極發(fā)射電流密度和穩(wěn)定性。
圖1燒結(jié)單元裝配圖；圖2本發(fā)明工藝流程圖；圖3實施例1制備的Os-Re合金靶材元素分布；圖4實施例2制備的Os-Ru合金靶材元素分布；圖5實施例3制備的Os-1r-Al合金靶材元素分布。
具體實施例方式下面的實施例可以使本專業(yè)技術人員更全面的理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。實施例1:原料經(jīng)濕法冶金提純處理后，Os粉純度99.95%, Re粉純度99.95%, Os粉和Re粉質(zhì)量比1:1。等離子體球化制備OsRe預合金粉末。Ar氣為工作氣體，H2為送粉氣體，中心氣體流速率2m3/h，送粉氣流速率0.1mVh ;混合粉末喂料速率60g/min ;等離子體功率80kW。OsRe預合金粉末粒度5 10 μ m。將預合金粉末冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)。以15°C /min的升溫速率升溫至900°C，燒結(jié)4h ;然后以15°C /min的升溫速率升溫至2000°C，燒結(jié)6h ;再以10°C /min的升溫速率升溫至2700°C，在2700°C燒結(jié)12h。再以冷卻速率10°C /min降溫。氫氣流量50L/h。燒結(jié)的OsRe合金經(jīng)精密加工后制備成Φ 50mmX 4mm fE材,fE材平直無變形,表面和體內(nèi)無裂紋。靶材純度99.95%，致密度98.7%，各組元分布均勻(見圖3)。將OsRe合金鍍覆至鋇鎢陰極表面進行直流發(fā)射測試，結(jié)果表明，陰極發(fā)射電流密度為33.6A/cm2。實施例2:原料經(jīng)濕法冶金提純處理后，Os粉純度99.99%, Ru粉純度99.95%, Os粉和Ru粉質(zhì)量比1:1。等離子體球化制備OsRu預合金粉末。Ar氣為工作氣體，H2為送粉氣體，中心氣體流速率2.5m3/h，送粉氣流速率0.15m3/h ;混合粉末喂料速率45g/min ;等離子體功率IOOkff0 OsRu預合金粉末粒度7 11 μ m。將預合金粉末冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)。以20°C /min的升溫速率升溫至1100°C，燒結(jié)4h ;再以20°C/min的升溫速率升溫至1800°C，燒結(jié)6h ；然后以7°C /min的升溫速率升溫至2800°C，燒結(jié)10h。以10°C /min的冷卻速率降溫。氫氣流量50L/h。燒結(jié)的OsRu合金經(jīng)精密加工后制備成Φ50mmX4mm祀材，祀材平直無變形,表面和體內(nèi)無裂紋。靶材純度99.95%，致密度96.5%，各組元分布均勻(見圖4)。將OsRe合金鍍覆至鋇鎢陰極表面進行直流發(fā)射測試，結(jié)果表明，陰極發(fā)射電流密度為21.5A/cm2。實施例3:原料經(jīng)濕法冶金提純處理后，Os粉純度99.99%, Ir粉純度99.98%。Al 純度 99.95%。等離子體球化制備OsIr預合金粉末。Ar氣為工作氣體,H2為送粉氣體，中心氣體流速率2.lm3/h，送粉氣流速率0.1mVh ;混合粉末喂料速率30g/min ;等離子體功率90kW。OsIr預合金粉末粒度5 8 μ m。按圖1所示裝配單元制備IrAl中間合金，以20°C /min的升溫速率升溫至800°C，燒結(jié)2h ;然后以10°C /s的升溫速率升溫至1700°C，燒結(jié)2h。稱重。破碎，球磨24h。IrAl中間合金粉末粒度約8 10 μ m。按一定質(zhì)量分數(shù)將OsIr和IrAl粉末混合均勻，冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)。以250C /min的升溫速率升溫至1100°C，燒結(jié)7h ;再以20°C /min的升溫速率升溫至1800°C，燒結(jié)IOh ;以10°C /min的冷卻速率降溫。氫氣流量40L/h。燒結(jié)的OsIrAl經(jīng)精密加工后制備成Φ 50mmX 4mm祀材,祀材平直無變形,表面和體內(nèi)無裂紋。靶材純度99.95%，致密度95%，組元分布均勻(見圖5)。將OsIrAl合金鍍覆至鋇鎢陰極表面進行直流發(fā)射測試，結(jié)果表明，陰極發(fā)射電流密度為27.5A/cm2。實施例4:原料經(jīng)濕法冶金提純處理后，Os粉純度99.99%, Re粉純度99.95%。W粉純度99.99%。等離子體球化制備OsRe、W-Re預合金粉末。Ar氣為工作氣體，H2為送粉氣體，中心氣體流速率2.5m3/h，送粉氣流速率0.15m3/h ;混合粉末喂料速率35g/min ;等離子體功率IOOkW。OsRe、WRe預合金粉末粒度5 10 μ m。將OsRe和WRe預合金粉末混合均勻，冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)。以20°C /min的升溫速率升溫至1100°C，燒結(jié)4h ;然后以15°C /min的升溫速率升溫至2000°C，燒結(jié)8h ;再以10°C /min的升溫速率升溫至3100°C，燒結(jié)8h。以12°C /min的冷卻速率降溫。氫氣流量 50L/h。燒結(jié)的OsWRe合金經(jīng)精密加工后制備成Φ 50mmX 4mm祀材,祀材平直無變形,表面和體內(nèi)無裂紋。靶材純度99.95%，致密度97.3%，組元分布均勻。將OsWRe合金鍍覆至鋇鎢陰極表面進行直流發(fā)射測試，結(jié)果表明，陰極發(fā)射電流密度為20A/cm2。表I鋨合金靶材性能
權利要求
1.一種用于大電流密度M型陰極敷膜的合金靶材的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟: (1)原料粉末提純:采用濕法冶金工藝對原料0S、Ir、Re、Ru、Rh、W粉末進行提純，使其純度不低于99.95wt% ； (2)制備預合金粉末:預合金粉末為OsIr、OsRe、OsRu、OsRh、OsW、WRe中的任意一種或幾種，采用等離子體球化工藝制備預合金粉末，粉末粒度范圍5 11 μ m ; (3)制備含低熔點易揮發(fā)元素Al的鋨合金靶材時，通過制備中間合金來抑制Al的揮發(fā)和改善均勻性； (4)氫氣燒結(jié)制備鋨合金 將預合金粉末冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)；燒結(jié)工藝如下:以15 25V Mn的升溫速率升溫至800 1100°C，燒結(jié)3 5h ;然后以10 20°C /min的升溫速率升溫至1600 2000°C，燒結(jié)5 8h ;再以5 15°C /min的升溫速率升溫至2500 3100°C，燒結(jié)6 10h，再冷卻，冷卻速率10 15°C /min，氫氣流量45 50L/h。
制備含鋁的鋨合金靶材時，將預合金粉末與中間合金粉末混合均勻，冷等靜壓成型，氫氣燒結(jié)，工藝如下:以15 25°C /min的升溫速率升溫至500 1100°C，燒結(jié)5 7h ;然后10 20°C /min的升溫速率升溫至1500 2500°C，燒結(jié)8 12h，再冷卻，冷卻速率5 IO0C /min，氫氣流量 35 40L/h ； (5)精細加工合金靶材。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(2)中，將制備預合金粉末的原料粉末在分散劑體系中均勻分散；采用等離子體球化設備進行合金化，制備預合金粉末，Ar氣為工作氣體，H2為送粉氣體，中心氣體流速率1.5 2.8m3/h，送粉氣流速率0.1 0.25m3/h ;混合粉末喂料速率30 60g/min ;等離子體功率80 100kW。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，中間合金燒結(jié)時，以15 300C /min的升溫速率升溫至500 900°C，燒結(jié)2 6h ;然后以5 15°C /s的升溫速率升溫至1600 2000°C，燒結(jié)2 8h。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于:步驟(5)中，燒結(jié)后的合金經(jīng)線切割、磨床加工至規(guī)定尺寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于合金靶材制備技術領域的一種用于大電流密度M型陰極敷膜的合金靶材制備方法。在對原料粉末提純的基礎上，利用等離子體球化技術制備OsRe、OsRu、OsIr、OsRh、OsW、WRe等預合金粉末，有助于獲得高純和高均勻的靶材。合金均勻性提高有助于陰極發(fā)射穩(wěn)定性改善。采用真空燒結(jié)制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的中間合金粉末，有效抑制合金燒結(jié)時鋁的揮發(fā)，可穩(wěn)定合金成分并提高靶材均勻性。采用多段氫氣燒結(jié)工藝，獲得高致密度的鋨合金靶材。本發(fā)明研制的鋨合金系列靶材具有高純、高致密、高均勻的特點，同時可通過調(diào)整組元及其含量，滿足M型陰極大電流發(fā)射的要求。
文檔編號C22C5/04GK103182508SQ20111044473
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權日2011年12月27日
發(fā)明者夏揚, 謝元鋒, 呂宏, 王玉民 申請人:北京有色金屬研究總院