Вольфрам-рениевые покрытия
Лахоткин Ю.В., Красовский А.И.
Наука, 1989 г.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Основной областью применения сплавов вольфрама с рением является электроника. Уникальные физико-химические и механические свойства W—Re-сплавов и покрытий из них позволяют существенно улучшить параметры ряда электровакуумных приборов, повысить их точность и долговечность. Однако широкое использование покрытий из W—Re-сплавов сдерживается недостаточным развитием методов их получения. В настоящее время W—Re-сплавы широко применяют в качестве деталей электровакуумных приборов (различного вида нагреватели, прямоканальные и оксидные катоды), где используются их высокая жаропрочность и формоустойчивость при высокотемпературных циклических нагрузках, высокое омическое сопротивление и небольшой коэффициент термического расширения, высокая прочность и пластичность, хорошие технологические качества [70, 71].
Ресурс работы нитей накаливания из W—Re-сплавов в 9 раз больше, чем из чистого вольфрама [51]. Удачное сочетание высоких механических свойств и электросопротивления сплавов, а значит, повышенная устойчивость к вибрациям, позволяет использовать их не только в лампах накаливания, но и в радиолампах и импульсных фотоосветителях.
Еще одно важное применение сплавов и покрытий — в качестве антикатода в рентгеновских трубках. Ресурс работы антикатода из сплава W+ 10% Reрезко увеличивается [72]. При повышенных скоростях вращения он рассеивает мощность 7 кВт/мм2. Антикатоды можно изготовлять нанесением W—Re-сплава на подложку графита [5]. Можно использовать дня анодов рентгеновской трубки биметаллические материалы [6], где в качестве подложки может быть применен молибден, а поверхностный слой изготавливается из W—Re-сплава. Для обеспечения стабильности и мощности рентгеновского пучка рабочий слой биметалла можно изготовить из сплава ВР27ВП, который наиболее полно удовлетворяет сложному комплексу требований к материалу анода [73]. Очень перспективно нанесение различными способами покрытий на подложку анода рентгеновской трубки.
Имеет большое будущее и использование рения и его сплавов в качестве материала термоионных и термоэлектронных эмиттеров в масс-спектрометрии [74]. По сравнению с эмиттерами из чистого вольфрама эти материалы обладают высокой стабильностью эмиссии в вакууме и в плазме, большой работой выхода, которая в сочетании с высокой рабочей температурой дает выигрыш в эффективности ионизации, хорошей устойчивостью к многократным нагревам.
Одним из самых перспективных направлений является создание W-и W—Re-покрытий в качестве защитных слоев от воздействия высокомощных газовых и электронных потоков. Здесь хорошие механические свойства в сочетании с коррозионной и эрозионной устойчивостью материала покрытий дают большой эффект. Так, бронирование анодных и замедляющих систем сверхмощных СВЧ-электровакуумных приборов фторидным вольфрамом позволяет в 2—3 раза увеличить удельные тепловые нагрузки, существенно повысить надежность и срок службы приборов [75].
В последнее время большое внимание уделяется изготовлению из W—Re-сплавов упругих элементов новейших гидроскопических, навигационных и других приборов — торсионов, растяжек, подвесов. Одним из основных требований к материалам упругих элементов является сочетание повышенного разрывного усилия с минимальным противодействующим моментом упругого элемента. Было установлено, что лучший из применяемых ныне в качестве упругих элементов сплав МР47ВП значительно уступает W—Re-сплавам. Весьма заманчивой является возможность получения упругих элементов по газофазной технологии [76].
Сплавы на основе Wи Reвесьма перспективны для изготовления тензо-резисторов, которые применяют как преобразователи различных механических величин в электрический сигнал. В настоящее время выдвигаются требования обеспечения высокой точности в диапазоне температур -50 + 250°С.
Были изучены метрологические характеристики W—Re-сплавов в виде проволоки диаметром 12 и 20 мкм: коэффициент тензочувствительности , удельное электросопротивление, температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и электросопротивления, а также прочность. Проволоку изготовляли из слитков вакуумной плавки и подвергали горячей ковке и волочению с промежуточными отжигами (табл. 1.9). Для сравнения в таблице приведены свойства константана, который широко применяется в прецизионной тензометрии. Видно, что создание для тензорезисторов материалов , а к ним в основном относятся сплавы W—Re, позволит значительно повысить выходной сигнал датчиков.
Были исследованы тензорезисторы из W—Re-покрытий, полученные катодным распылением мишени из сплава ВР27ВП [78]. Изучались термостойкие и высокостабильные тонкопленочные резисторы из Reи сплавов W—Re, обычно применяемых в высокотемпературных интегральных схемах с рабочей температурой 400-500 °С [79, 80]. Высокой термостабильностью обладают пленки офазы системы W—Re, которые имеют преимущество по сравнению с пленками из чистых вольфрама и молибдена [81]. Пленки получали ионно-плазменным распылением прессованной и литой мишени из химического соединения типа офазы с соотношением W:Re= = 50:50 на подложке из лейкосапфира при температуре 40—450 °С. Применение таких высокоомных пленок позволяет поднять рабочую температуру резисторов до 600-800 °С.
Покрытия из W—Re-сплавов обладают повышенной износостойкостью по сравнению с нелегированным вольфрамом благодаря сочетанию в них таких свойств, как высокие значения прочности, твердости и ударной вязкости. Исследованы также микротвердость, ударная вязкость, коэффициент трения, износостойкость, вибростойкость, коррозионная стойкость и полученная при обработке шероховатость обрабатываемой поверхности различных износостойких материалов [82, 83]. Авторами был сделан вывод о перспективности применения W—Re-сплавов или покрытий из них в качестве конструкционных материалов для ответственных деталей приборов точной механики.
Из всех тугоплавких материалов только вольфрам широко используется для изготовления электрических контактов. Материал для электроконтактов должен характеризоваться минимальными величинами контактного сопротивления, интенсивности дуги и максимальным напряжением образования дуги, хорошим уровнем эрозионной стойкости в рабочих условиях. Однако вольфрам корродирует на воздухе с образованием пленки оксидов, которые нарушают контакт. Исследование возможности применения W—Re-сплавов в качестве электроконтактов [84,85] показало, что W—Re-контакты обладают значительным преимуществом по сравнению с вольфрамовыми контактами по ресурсу работы, стабильности контактного сопротивления в солесодержащих и тропических средах, а также по эрозионной стойкости.
Рений и рениевые покрытия перспективны для использования их в качестве кернов катодов ЭВП, особенно для катодов на основе оксидов элементов III и IV групп периодической системы, у которых рабочая температура выше по сравнению с обычными оксидными катодами. Наряду с хорошими термическими и механическими характеристиками рений более инертен в химическом отношении, чем вольфрам, молибден и тантал, к оксидам тория, иттрия и редкоземельным металлам. Характеристики катодов на рениевом керне обычно более стабильны, чем на других материалах [86].
Покрытия из рения можно использовать в качестве слоев для автоэлектронных эмиттеров, с которых можно отбирать очень высокие плотности токов эмиссии. Рениевые автокатоды показали значительно большую стабильность [87] токов эмиссии, а их устойчивость против ионной бомбардировки в 5—6 раз выше, чем у вольфрама. В этой связи рений весьма интересен для использования его в масс-спектрометрии. Применение рениевых эмиттеров существенно повышает чувствительность, точность измерения и надежность прибора [88].
В этой главе, естественно, не могли найти отражения все имеющиеся в литературе сведения по свойствам и применению покрытий из вольфрама, рения и их сплавов. Однако можно сделать однозначный вывод о необходимости разработки способов получения W—Re-покрытий с заданными свойствами: вибропрочных, жаропрочных в условиях статических и термоциклических нагрузок, износоустойчивых, высокоемных, эрозионно устойчивых, особопрочных и упругих, а также резистивных пленок для микросхем.
Особо перспективны в практическом отношении W—Re-покрытия с максимальным содержанием рения в пределах его растворимости (25— 27 мас.% Re), когда влияние рения на свойства вольфрама наиболее велико. Представляют несомненный интерес и малолегированные сплавы (до 3—5 мас.% Re). Существенное повышение прочности и пластичности, незначительное изменение технологии получения однокомпонентных покрытий и их экономическая эффективность — вот основные преимущества нанесения W—Re-покрытий в режиме микролегирования.