УДК 621.79

Применение диффузионной сварки для создания приборов СВЧ со встроенными ферритовыми элементами

Котина Н.М., Вавилина Н.А., Гавриков Д.А.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
410054 г. Саратов, Россия

 

 

Для создания радиоэлектронных устройств на основе ферритовых элементов (циркуляторов, вентилей, вращателей) требуется обеспечение надежного крепления ферритового элемента на корпусе прибора. При этом, с повышением уровня мощности приборов, повышаются требования к механическим и термическим характеристикам такого крепления, особенно с точки зрения термостойкости соединения феррит-металл.

В последние годы в связи с созданием электровакуумных прибо­ров СВЧ диапазона со встроенными ферритовыми вентилями разработана, прежде всего, технология диффузионной сварки в вакууме (ДСВ) иттрий-гадолиниевых ферритов гранатов с металлами, позволяющая получать феррито-металические узлы, удовлетворяющие технологическим и эксплуатационным тре­бованиям к ЭВП СВЧ.

При ДСВ ферритов с металлами процесс соединения двух поверх­ностей имеет место, если это энергетически выгодно, т.е. происхо­дит уменьшение свободной энергии системы. В отличие от термодина­мического анализа известной химической реакции при ДСВ ферритов с металлами в суммарном уравнении известны исходные вещества (свариваемые материалы) и лишь предположительно - продукты, кото­рые могут образоваться в переходной зоне в результате диффузион­ных процессов или химических реакций. Это вызывает необходимость производить термодинамический анализ возможности взаимодействии по ряду уравнения, в которых левой частью служат исходные вещества, а в правой части каждого уравнении находятся химические сое­динения, образование которых предполагается (конечные вещества) [1].

Следует отметить, что исходные вещества также не всегда из­вестны точно. Это объясняется тем, что поверхности металлов перед сваркой покрыты окисной пленкой и не известно, удаляется ли она в период предсварочного нагрева в вакууме.

В процессе ДСВ при температуре выше 800°С в результате одновременного действия нескольких механизмов удаления окисных пленок наиболее вероятен контакт феррита с чистыми металлическими поверхностями.

Феррит представляет собой соединение сложного состава. В частности, нормализованные ферритгранаты марок 30СЧ6 и 40СЧ4 имеют соответственно следующие составы:

Y2,25Gd0,75Fe5O12 и Y1,5Gd1,5Fe5O12

Термодинамические величины для большинства марок ферритов пока не определены. Поэтому рассчитывалось взаимодействие метал­лов с окислами, входящими в состав ферритов.

Результаты расчетов показывают, что при ДСВ ферритов с медью процесс образования в переходной зоне новых химических соединений термодинамически затруднен. Поэтому целесообразно производить сварку ферритов именно с медью [2].

При соединении материалов в твердом состоянии на первой стадии процесса происходит формирование фактического контакта поверхностей под действием приложенного давления сжатия.

С технологической точки зрения чем выше твердость (ниже пластичность) одного из соединяемых материалов, тем интенсивнее должно быть напряжение в контакте или выше гомо­логическая температура (Тсв/Тпл) процесса (при условии, что для более мягкого металла она все же остается меньше единицы).

Это положение экспериментально подтверждается изменением прочности сварных соединений меди с различными материалами как функции от давления сварки. В опытах, проведенных при постоянной температуре сварки, но изменяющемся давлении сжатия, равнопрочность соединений меди с медью достигается при Р=0,7·104 кПа, ме­ди с никелем при 1,2·104 кПа, с коваром при 1,5·104 кПа , с молиб­деном и ферритом 30СЧ6 даже при Р = 2·104 кПа, соединений, равно­прочных меди, получить не удалось.

При сварке более прочных ферритов с металлами величины температуры и давления следует повышать по сравнению со сваркой менее прочных ферритов.

Анализ микрошлифов показывает, что зона объемного взаи­модействия образуется за счет односторонней диффузии меди в фер­рит. Диффузии ионов железа и других элементов входящих в состав феррита в медь не наблюдалось.

Принципиально диффузия меди в ферриты может привести к об­разованию новых продуктов в переходной зоне соединения. Послой­ный рентгеноструктурный анализ шлифа сварного образца в направле­нии, перпендикулярном плоскости сварки, не обнаруживает продуктов взаимодействия, качественно отличающихся от исходных материалов.

Однако этот факт можно объяснить и весьма малым количеством образующихся в условиях сварки продуктов, которые не удается об­наружить рентгеновским  методом, так как зона взаимодействия имеет весьма малую толщину - около 5-6 мкм при оптимальном режиме свар­ки.

Испытания сварных соединений ферритов с медью на устойчивость к термоциклированию, длительному воздействию повышенных темпера­тур, динамическим и климатическим воздействиям проведены на экспериментальных и реальных сварных узлах СВЧ-приборов.

Все узлы, подвергнутые соответствующим воздействиям, нарушений сварной зоны не имели. Прочность сварного соеди­нения после термовакуумной обработки узлов в режиме откачки электровакуумных приборов и хранения на воздухе в течение 26 месяцев остается на первоначальном уровне [3].

 

Литература

1. Выбор материалов для технологических приспособлений при диффузионной сварке с термическими системами давления: материалы 13 Международной НПК «Технологии ремонта восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» часть 2, 12-15 апреля 2011 г./ А.А. Лемякин, А.П. Перекрестов, Я.В. Перевозникова  // СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. – с. 193-195.

2. Влияние термической обработки в вакууме на свойства керамических материалов: материалы  Пятой Российской студенческой НТК «Вакуумная техника и технология», 19-21 апреля 2011 г./ А.М. Рыженко, А.О. Жевалев, Н.М. Котина, Л.Е. Куц // Казань: КГТУ, 2011. – с.42-43.

3. Особенности крепления ферритовых элементов на металлических корпусах радиоэлектронных приборов / Жевалев О.Ю., Конюшков Г.В., Куц Л.Е. // «Антенны» Изд-во Радиотехника №11. М:. – 2011.– с.68-71.