专利名称：大功率行波管螺旋线及其低微波损耗表面复合涂层的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于大功率行波管螺旋线的低微波损耗复合涂层。
背景技术：
螺旋线型行波管是大功率行波管中一种广泛使用的形式，广泛应用于通信系统、雷达系统等多领域。行波管中的发生基本物理过程是使电子的速度稍大于行波相速，行波管中的电子产生群聚，电子被场减速而交出部分能量给行波场，使行波振幅不断增长。这种放大作用随着行波的前进而不断积累起来，最后从慢波系统的输出端输出被放大的高频信
号。高频下的散热问题是大功率行波管性能提高面临的瓶颈问题。在螺线型行波管结构中，螺旋线的主要作用是作为慢波线路中的电子注结构。因此螺旋线的高频发热除了电子轰击、反射能量外，高频下的损耗产生热量是主要来源之一。解决螺旋线的高频发热是改善大功率行波管散热问题的关键。由于在高温下需要保持螺旋线结构，因此其基体材料一般选用高温特性好、強度高的W(Mo)等材料制成。而W(Mo)等金属与其他高电导率的金属较难形成牢固稳定的结合。由本实用新型研发单位完成的专利(专利申请号CN201020697022. 5)公开了ー种带有Ti涂层的螺线管的低电阻率复合涂层，极大地改善了螺线管的微波损耗。但就エ艺复杂性而言，在W(Mo)等金属表面制备具备“软”性的Ti过渡层，ー是W-Ti难以形成完全合金相，从而需要离子注入等形式，以提高基体与Ti层之间的结合，带来了エ艺的复杂性和制备成本；另一问题是Ti的抗氧化性较差，非常容易氧化而造成与Au、W间结合可靠性的下降，因而需要在非常高的真空环境下制备，这也带来了エ艺难度的増加。
实用新型内容本实用新型的目的在于，采用更为理想的复合涂层结构，形成稳定的基体、表面涂层与过渡层金属间稳定的冶金结合，从而可以更低的成本、更简化的エ艺制备高性能、高可靠的低微波损耗表面复合涂层，有效降低螺旋线高频发热。为实现上述目的，本实用新型包括如下技术方案—种大功率行波管用低微波损耗表面复合涂层，由内至外依次为W或Mo作为基体材料的螺旋线基体，Ni过渡层，以及AiuCu或Ag作为表面低导涂层材料的表面低导涂层。如上所述的表面复合涂层，其中，该基体材料优选为W或Mo。如上所述的表面复合涂层，其中，该表面低导涂层材料为微波电阻率优于W和Mo的金属。如上所述的表面复合涂层,其中，该表面低导涂层材料优选为Au、Cu或Ag。如上所述的表面复合涂层，其中，该Ni过渡层的厚度优选为f lOOnm，以保证热处理充分形成具有非磁性的合金相。如上所述的表面复合涂层，其中，该表面低导涂层的厚度优选为flOym，表面低导涂层的厚度大于工作微波频率下趋肤深度，从而保证微波传导主要在表层进行。另ー方面，本实用新型还包括一种大功率行波管螺旋线，其表面具有如上所述的表面复合涂层。本实用新型的有益效果在于表面高电导率金属可以降低由于W、Mo等基体材料本征特性带来的在高频场下的发热效应，提高行波管的功率。采用与基体和表面高电导率金属层具有良好相容性的金属中间层，提高了基体和表面结合力；由于过渡层金属与功能层和基底均有良好的结合，因此无需采用复杂的、以增加结合力为目的的离子注入等エ序，只需将复合涂层在特定条件下进行常规热处理工艺，就可以形成高可靠、高性能的复合涂层，降低了材料エ艺成本。
图I是大功率行波管用螺旋线结构示意图。图2是本实用新型表面复合涂层热处理前的结构示意图。图3是本实用新型表面复合涂层经过热处理后的结构示意图。图4是用于制备本实用新型表面复合涂层的动态磁控溅射装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例子对本实用新型作进ー步说明。实施例I大功率行波管用用低微波损耗表面复合涂层如图3所示，本实用新型ー种优选实施方式的大功率行波管用用低微波损耗表面复合涂层，由内至外依次为螺旋线基体31，Ni过渡层32和表面低导涂层33。Ni过渡层的厚度为flOOnm，表面低导涂层的厚度为flOym。实施例2制备大功率行波管用螺旋线(一)取常规大功率行波管用W螺旋线，如图I所示，其长度为100mm，截面为Φ O. 3mm的圆形，螺距O. 7mm,绕径I. 5mm。螺旋线在真空中经过除气处理，并分别经过无水こ醇、丙酮超声清洗20分钟。将螺旋线吊装在吊装夹具上，采用动态离子束溅射方式，在6-10根螺旋线的内外表面同时制备Ni膜。Ni膜制备的本底真空〈I X10_3Pa，制备时间为lmin，获得Ni膜的厚度为 10_20nm。更换离子镀靶材为Au靶，在具有Ni膜的螺旋线表面制备Au涂层。其本底真空条件与Ni膜制备基本相同，制备时间为3小吋，获得Au膜的厚度大于2 μ m。形成的复合涂层结构如图2所示，由内至外依次为W螺旋线基体21、Ni层22和Au涂层23，复合涂层在螺旋线内外表面均匀分布。制备好复合涂层的螺旋线在真空条件下、于保护气氛或还原气氛中，在800-950° C进行退火处理。经2小时的退火处理后，涂层与基底结合牢固，无表层脱落现象。根据Ni-W与Ni-Au相图分析，在类似的热处理条件下，Ni与W基底和Au涂层间分别形成具有高度结合的合金相，从而使得Au涂层可以牢固地制备在W螺旋线表面，其形成的结构如图3所示，由内至外依次为W螺旋线基体31，由Ni-W、Ni-Au梯度层构成的Ni过渡层32和Au涂层33。[0028]扫描电镜照片显示，采用该技术在W螺旋线表面制备的Au可对W螺旋线实现均匀的全涂覆，微观形貌观察表明该Au涂层结晶良好，表面致密、均匀，具有典型多晶形貌。实施例3制备大功率行波管用螺旋线(ニ)取常规大功率行波管用W螺旋线，其长度为100_，截面为O. 6mmXO. 2mm的矩形，螺距I. Omm,绕径2. 5_。螺旋线在真空中经过除气处理，井分别经过无水こ醇、丙酮超声清洗20分钟。将螺旋线吊装在吊装夹具上，采用动态离子离子束溅射镀方式，在6-10根螺旋线的内外表面同时制备Ni膜。Ni膜制备的本底真空〈I X10_3Pa，制备时间为lmin，获得Ni膜的厚度为10-20nm。采用动态磁控溅射方法，在具有Ni膜的螺旋线表面制备Au涂层。装置如图4所示，该装置包括位于装置中心的溅射靶材41和环绕该溅射靶材的自转公转联合转台42， 螺旋线43垂直悬挂在转台上。溅射过程中，螺旋线围绕轴心自转的同时围绕溅射靶材作公转运动，从而实现在螺旋线各个方向的表面上均匀镀膜。Au膜磁控溅射的本底真空〈O. 5 X l(T3Pa，溅射功率100W，溅射制备时间48min。制备好复合涂层的螺旋线在真空条件下、于保护气氛或还原气氛中，在800-950° C退火处理2小吋。经纳米划痕法测试平面样品，其结合力大于ION ;并经实际刮涂方法验证，该涂层与基底结合牢固。实施例4制备大功率行波管用螺旋线(三)取常规大功率行波管用W螺旋线，其长度为100mm，截面为Φ0. 4mm的圆形，螺距O. 7mm,绕径 I. 5mm。螺旋线在真空中经过除气处理，并分别经过无水こ醇、丙酮超声清洗20分钟。采用如图4所示的动态磁控溅射装置，在6-10根螺旋线的内外表面同时制备Ni膜。Ni膜制备的本底真空〈I X 10 ,制备时间为8min，溅射功率100W，获得Ni膜的厚度为 10_20nm。对制备Ni膜后的螺旋线采用常规方法在化学镀溶液中进行化学镀Au。化学镀溶液的配方包括L氰化金钾、氰化钾、氢氧化钾、氢硼化钾以及こニ胺四こ酸钠和こ醇胺；镀金的沉积速度为约为lym/h。2. 5小时化学镀后，在螺旋线表面形成厚度>2. Oym的Au层。对制备好复合涂层的螺旋线在真空条件下、于保护气氛或还原气氛中，在800-950° C进行退火实验。经纳米划痕法测试平面样品，其结合力大于ION ;并经实际刮涂方法验证，该涂层与基底结合牢固。
权利要求1.ー种大功率行波管用低微波损耗表面复合涂层，其特征在于，该表面复合涂层由内至外依次为W或Mo作为基体材料的螺旋线基体，Ni过渡层，以及Au、Cu或Ag作为表面低导涂层材料的表面低导涂层。
2.如权利要求I所述的表面复合涂层，其特征在于，所述Ni过渡层的厚度为flOOnm。
3.如权利要求2所述的表面复合涂层，其特征在于，所述表面低导涂层的厚度为I 10 μ m。
4.ー种大功率行波管螺旋线，其特征在于，其表面具有如权利要求1-3中任一项所述的表面复合涂层。
专利摘要一种大功率行波管螺旋线及其低微波损耗表面复合涂层，该表面复合涂层由内至外依次为W或Mo作为基体材料的螺旋线基体，Ni过渡层，以及Au、Cu或Ag作为表面低导涂层材料的表面低导涂层。该涂层采用与基体和高电导率涂层间能够形成牢固结合的过渡层，并形成一种多层梯度结构，从而实现低成本、高可靠、高性能的涂层制备，有效降低螺旋线的高频发热。
文档编号H01J23/26GK202633208SQ201120566849
公开日2012年12月26日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者李弢, 吕旭东, 屈飞, 郜健 申请人:北京有色金属研究总院