Повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

АВТОРЕФЕРАТ

Повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов

Специальность 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника

Куц Любовь

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» ферритовый вейбулл электровакуумный

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Жевалев Олег Юрьевич

Официальные оппоненты - Царев Владислав Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский

государственный технический

университет имени Гагарина Ю.А.»,

профессор кафедры «Электронные

приборы и устройства»

Неганов Валерий Алексеевич

кандидат физико-математических наук,

ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон»,

начальник лаборатории

Ведущая организация - СФ ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

(г. Саратов)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В различных устройствах радиоэлектроники широко используются ферритовые устройства, такие как вентили, циркуляторы, фазовращатели и т.д. Применение ферритов в СВЧ приборах обусловлено сочетанием высокого удельного электрического сопротивления с разнообразными магнитными свойствами. Обычно ферритовые устройства, являющиеся пассивными элементами, изготавливаются и испытываются отдельно от активных электровакуумных приборов СВЧ (генераторов или усилителей О- и М-типов), в которых они применяются.

Наиболее существенный вклад в проектирование и исследование ферритовых приборов СВЧ диапазона внесли: Б.М. Лебедь, Ю.Н. Афанасьев, Н.Д. Урсуляк, М.В. Вамберский, Ю.М. Яковлев, В.Н. Богомолов, А.А. Димитрюк, Р.А. Семенов, Э.И. Меркин, В.И. Казанцев.

В последние годы в практике конструирования таких приборов заметен переход к так называемым «комплексированным изделиям» - устройствам, в которых ферритовые узлы являются неотъемлемой частью металлического корпуса активного прибора. Для крепления ферритовых узлов (как правило, выполненных из феррогранатов и феррошпинелей) с корпусом могут использоваться технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки и диффузионного соединения.

При выборе того или иного способа соединения феррита с металлом необходимо прежде всего обеспечить сохранность свойств феррита при высокотемпературном режиме откачки ЭВП, а также требуемую теплопроводность ферритового узла и прочность его крепления на корпусе прибора при последующей эксплуатации. Для этих целей наиболее подходит диффузионный способ соединения ферритометаллических узлов (ФМУ), так как клейка и пайка не всегда могут обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики изделий из-за коррозии и процессов старения материалов.

Наиболее существенный вклад в разработку технологии диффузионных методов соединения ФМУ применительно к приборам СВЧ внесли: В. Конюшков, В.А. Неганов, Н.М. Котина, Е.А. Томильцев, О.Ю. Жевалев.

Вследствие сложности разнообразных физико-механических процессов, протекающих при диффузионном соединении, требуется разработка обобщенного технологического процесса с учетом большого числа влияющих факторов, включая типоразмер и марку феррита. Очевидно, что только экспериментальным путем решить эту проблему невозможно. Поэтому при создании комплексированных приборов СВЧ с ФМУ важную роль приобретают компьютерные методы моделирования процесса диффузионного соединения

В настоящее время развитие компьютерной техники и комплексного программного обеспечения (пакеты Mathcad, Matlab, Ansys, SolidWorks и т.д.) с использованием относительно новых методов искусственного интеллекта - нейронных сетей - позволяют создавать различные расчетные модели сложных технических объектов, в том числе и модели технологических процессов. Однако для моделирования процесса диффузионного соединения такие методы пока не использовались, а сами модели физико-химических процессов носили качественный характер. Разработка более совершенных математических моделей и оптимизация параметров технологического процесса на основе метода нейронных сетей позволит определять для него оптимальные режимы и параметры, а его реализация на практике обеспечит повышение термических и механических характеристик ферритометаллических узлов электровакуумных приборов

Целью работы является совершенствование технологии диффузионного соединения ферритов с металлами для повышения термических и механических характеристик ФМУ электровакуумных приборов на основе нейросетевого моделирования.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

- проанализировать использование ферритовых материалов и методы изготовления ФМУ для электровакуумных приборов;

- исследовать температурные интервалы стабильности химического состава феррогранатов и феррошпинелей при их нагреве в вакууме на основе термодинамического анализа равновесного давления кислорода;

- исследовать зависимость прочностных свойств ферритов от их размеров на основе статистической модели Вейбулла;

- исследовать теплопроводность конструкций ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, при значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала, соответствующей максимально допустимой температуре эксплуатации 100150 ⁰С;

- разработать математическую нейросетевую модель технологического процесса диффузионного соединения ФМУ, учитывающую влияние большого числа факторов, включая типоразмеры ферритовых деталей, на прочностные свойства;

- исследовать с помощью разработанных математических моделей физико-химические особенности процессов диффузионного соединения ФМУ в вакууме при разных температурах для основных марок ферритов;

- определить оптимальные режимы, обеспечивающие для феррогранатов и феррошпинелей получение соединений с требуемыми характеристиками;

- провести совместно с разработчиками приборов СВЧ испытания конструкций ФМУ для ЭВП на термоциклические, вибрационные, динамические нагрузки, а также выходных параметров ЛБВМ со встроенными ФМУ.

Методы и средства исследований

Решение поставленных задач осуществлялось с использованием дифференциальных уравнений теплопроводности, термодинамического анализа изменения энергии Гиббса для химических реакций образования моноферритов, уравнений вакуумной техники, статистической модели Вейбулла, нейросетевого моделирования, уравнений регрессии для определения прочности диффузионного соединения феррогранатов, компьютерного программного обеспечения (Mathcad и SolidWorks).

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Максимально допустимые температуры нагрева ферритов в вакууме без возникновения необратимых изменений их химического состава должны находиться в следующих пределах: для феррогранатов до 1436 ⁰С; для никелевой феррошпинели - до 1042 ⁰С; для магниевой феррошпинели - до 863 ⁰С;

2. Разработанная нейросетевая модель диффузионного соединения феррограната 30СЧ6 с медью М0б адекватно отражает физико-химические процессы диффузионного соединения и позволяет определять значения технологических параметров требуемых для получения прочных (ф_сдв, 200ч650 кПа) ферритометаллических узлов с объемом ферритовых деталей от 0,3 до 2,5 см³.

3. Технологические параметры: T=1005 ⁰C; P=1,7·10⁴ кПа; t=16,4 мин; скорость остывания ФМУ - V_ос=0,2 ⁰C/с, обеспечивают получение прочных диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью М0б для ферритовых деталей с объемом 0,3 см³.

Научная новизна работы:

1.Определены температурные интервалы стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1·10^-3 Па. Для феррогранатов - до 1436 ⁰С. Для никелевой феррошпинели - до 1042°С. Для магниевой феррошпинели - до 863 ⁰С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууме 10^-3Па в интервале температур 9001000 ⁰С образуется оксид Сu₂O за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Аналитические модели теплопроводности ФМУ, выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20ч30 Вт/см³) в зависимости от толщины ферритовых деталей. Показано, что теплопроводность диффузионных соединений на 8ч12% больше по сравнению с клеевыми соединениями.

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла, и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200ч650 кПа.

5. Найдены оптимальные режимы процесса диффузионного соединения гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, обеспечивающие высокое качество соединения ФМУ.

6. Найдены новые конструктивные решения технологической оснастки требуемой для выполнения диффузионных соединений ФМУ, позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19ч35 до 5ч10 ⁰C, что повышает скорость остывания с 0,08 до 0,12°C/с и сокращает операционное время на 1,2 часа (23%).

Практическая значимость:

· Разработаны и изготовлены ФМУ на основе феррогранатов марок 30СЧ3, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 и гексаферрита марки 03СЧФ2В1. Оптимизирована конструкция многоместной технологической оснастки, позволяющая сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 23%.

· Разработана инженерная методика определения технологических параметров диффузионного соединения феррогранатов с медью на основе нейросетевых моделей.

· С помощью разработанного техпроцесса в НИИ «Алмаз» была создана и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем, встроенным в узел замедляющей системы прибора, результаты испытаний ЛБВМ приведены в актах внедрения.

· Разработанные режимы диффузионных соединений феррогранатов 30СЧ3, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью М0б используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

· Материалы исследований внедрены в учебный процесс в виде материалов лекций и методических указаний к лабораторным работам по дисциплинам: «Материалы и элементы электронной техники» и «Технология материалов и изделий электронной техники», «Оборудование производства электронной техники».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на 8-й, 9-й, 10-й Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2009, 2010, 2011), II Всероссийской НПК «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, 2010), V Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2011), XIII Международной НПК «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано- до макроуровня» (Санкт-Петербург, 2011), научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2011), XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Судак, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ (в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 10 статей в научных сборниках.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке методик и компьютерных моделей, оптимизации конструкций технологической оснастки и разработке технологических процессов диффузионного соединения ФМУ с учетом размеров ферритовых деталей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 55 наименований, приложения и актов использования результатов в производстве. Работа изложена на 117 страницах, содержит 43 рисунка и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены положения, раскрывающие новизну, практическую ценность, цель и задачи исследований.

В первой главе на основе литературных данных приведены общие принципы использования ферритов в области сверхвысоких частот.

Обсуждены технологии склеивания, низко- и высокотемпературной пайки, диффузионного соединения для крепления ферритовых элементов на металлических корпусах приборов.

Рассмотрены типовые конструкции ферритовых приборов. Проанализировано влияние методов крепления ферритовых элементов на рабочие характеристики вентилей, циркуляторов и фазовращателей, а также совмещенных конструкций ферритовых элементов с электровакуумными приборами.

Выполнен анализ физических и технологических аспектов диффузионного соединения ферритов с металлами, рассмотрены вопросы влияния размеров ФМУ на их прочность, вопросы нейросетевого моделирования технологических процессов.

Определены задачи для дальнейших исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям температурных интервалов стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1·10^-3Па.

Выполнены термодинамические оценки возможных изменений химического (фазового) состава гадолиниевого феррограната, магниевой и никелевой феррошпинелей при нагреве до температур 9001300 К в вакууме. Показано, что наиболее вероятным является изменение содержания кислорода, которое выражается следующими химическими реакциями.

,(1)

,(2)

,(3)

На основе положений термодинамики определены зависимости равновесного давления для рассматриваемых реакций (рис. 1).

Рис. 1. Зависимости равновесного давления кислорода над ферритами

1 - Gd₃ Fe₅ O₁₂

2 - Mg Fe₂ O₄

3 - Ni Fe₂ O

Пунктирная линия на графиках соответствует парциальному давлению кислорода (10^-5 Па) в вакуумной камере при температурах выполнения диффузионного соединения.

Точки пересечения полученных зависимостей с этой линией показывают, при каких температурах возможны необратимые изменения химического состава (верхняя граница однофазной структуры) рассматриваемых ферритов за счет выделения кислорода. Для гадолиниевого феррограната (линия 1) - 1436°С (за пределами графика). Для никелевой феррошпинели - 1042 ⁰С. Для магниевой феррошпинели (линия 2) - 863 ⁰С.

Так как температуры выполнения диффузионного соединения лежат в области ожидаемого выделения кислорода из феррошпинелей. Для проверки данного факта определялась масса выделившегося кислорода для феррошпинели марки 10СЧ8 в технологической камере вакуумной печи. Определялись изменения веса двух навесок феррита в процессе отжига при 1000 ⁰С. Для навески массой 1,4707 г потери веса составили 0,0057 г, для навески 1,1030 г потери веса составили 0,0044 г (среднее значение потери веса - 0,00505 г, использовались весы ВЛР-2002). Потери веса навесками были полностью отнесены к потерям кислорода. Это обстоятельство позволяет предположить влияние выделившегося кислорода на его давление в контакте феррошпинель-медь по отношению к вакуумной атмосфере технологического оборудования.

На основании положений вакуумной техники была предложена методика расчета давления кислорода в контакте феррошпинель-медь для малого зазора между деталями. На рис. 2 представлена расчетная схема модели, расчетные формулы приведены в табл. 1. Выражение (4) использовалось в расчетах для определения зависимости = f (r) в зазоре между ферритовым и металлическим дисками при различных и N.

Полученные зависимости приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, изменение зазора в контакте от 2,5 до 10 мкм изменяет давление кислорода в контакте круглой формы при текущем значении радиуса 15 мм, от 2954 до 231 Па.

Таблица 1

Расчетные формулы для определения давления кислорода в контакте феррит-металл

ф - время отжига, с; S - площадь поверхности образца, м2; Ф - температура, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/К г·моль.
(4)

При металлографических исследованиях диффузионного соединения магний-хромовой феррошпинели с медью (рис. 4), выполненного при

Т=1173 К, наблюдается тонкий слой новой фазы между ферритом и медью, отличающийся по цвету на нетравленых шлифах и по повышенной (по сравнению с исходными материалами) травимостью в 50%-м водном растворе HNО₃.

Рис. 3. Зависимость давления кислорода в контакте феррит-металл

Рис. 4. Микрошлиф соединения феррит 10СЧ8 + медь М0б (Ч200

С большой степенью вероятности данная фаза может быть идентифицирована как Cu₂О, образующаяся за счет выделения кислорода из феррошпинели. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпинелей в условиях нагрева в вакууме, в дальнейшем они не рассматривались для ФМУ электровакуумных приборов.

Для оценки влияния значений поглощенной ферритами энергии СВЧ-сигнала на температуры ферритов, для ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, предложена аналитическая модель их теплопроводности.

Расчетная схема упрощенной модели ФМУ приведена на рис. 5.

q₁ - удельное значение теплового потока

от ферритового элемента в воздух;

q₂ - удельное значение теплового потока от

ферритового элемента к системе охлаждения

через многослойный брикет;

t_max - максимальная температура в сечении

ферритового элемента;

- температура свободной поверхности

ферритового элемента;

- температура поверхности ферритового

элемента, соединенной с клеем, припоем,

медной прокладкой при ДС;

д_i - толщины слоев материалов;

л_i - коэффициент теплопроводности соответствующих слоев материалов;

x₁, x₂ - расстояния от сечения ферритового

элемента с максимальной температурой

до соответствующих граничных поверхностей;

б₁, б₂ - коэффициенты теплоотдачи

Рис. 5. Расчетная схема упрощенной модели ФМУ

Расчеты проводились на основе дифференциального уравнения для одномерной стационарной задачи с учетом внутренних источников тепла:

,(5)

Можно показать, что для схемы, приведенной на рис. 5, решением данного уравнения будет:

или , причем, x₁+x₂= д_ф.(6)

Выполняя преобразования по формулам представленным в табл. 2, можем определить температуры и .

Задавая значения д_ф, q_v, д_i, л_i, б₁, б₂ можем определить значения , , .

Таблица 2

Расчетные формулы для определения температуры и

		дф= x1+x2.
	x1=дф - x2

Для водяной системы охлаждения (предполагался турбулентный режим работы) задавались значения б₁=10 Вт/м²°С, б₂=5000 Вт/м²°С,

q_v = 30 Вт/см³ , д_ф = 3 мм (расчет б₁ и б₂ не приводится). Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Конструкционные размеры и максимальные температуры ФМУ

Вид соединения	n слоя	Материал слоев	д, мм	л, Вт/м·°С	Термическое cопротивление, м2·°С/Вт	tmax,°С при qv= 30·106 Вт/м3
Клеевое	1	Клей 1080+cеребро	0,1	0,7	5,53·10-4	113,3
	2	Сплав МД-40	2	67
	3	АМг-6	5	117
	4	Припой ПОС-61	0,2	50
Паяное	1	Припой ПОС-61	0,2	50	4,14·10-4	101,1
	2	Сплав МД-40	2	67
	3	АМг-6	5	117
	4	Припой ПОС-61	0,2	50
Диффузионное	1	Медь МБ	0,5	380	4,11·10-4	100,9
	2	Сплав МД-40	2	67
	3	АМг-6	5	117
	4	Припой ПОС-61	0,2	50

Результаты расчетов показали, что значения рабочей температуры для паяного и сварного соединения являются практически одинаковыми, однако модель не учитывает возможные изменения теплопроводности клеевых соединений в результате старения или паяных соединений в результате коррозионных процессов. При малых уровнях поглощенной мощности СВЧ-сигнала различия температур ферритовых деталей в ФМУ выполненных любым способом соединения незначительны.

При возрастании уровня мощности СВЧ-сигнала становится заметным некоторое преимущество диффузионных соединений.

Для построения технологической модели процесса диффузионного соединения необходим учет размеров ферритовых элементов. Для этого использовалось соотношение, полученное на основании статистической модели Вейбулла:

,(7)

где - значения удельной прочности; - объемы ферритовых элементов; - модуль Вейбулла.

В качестве размерного фактора в настоящей работе использовались значения объема ферритовых образцов в см³.

Вначале, для определения модуля m, использовалась экспериментальная зависимость у_сж в интервалах 0,3-1,25 см³.

Значения модуля Вебулла определялось по формуле

.(8)

Получено значение . Затем указанная зависимость экстраполировалась (пунктирная линия) до значений размеров ферритовых деталей 2,5 см³ и использовалась для выбора допустимых значений усилий сжатия при разработке технологии диффузионного соединения ФМУ с различными размерами. Также строилась зависимость прочности на сдвиг диффузионных соединений феррограната 30СЧ6 с медью ф_сдв по трем экспериментальным точкам для объемов ферритов 0,3; 1,0; 1,5 см³ (рис. 6), которая также использовалась при разработке технологии диффузионных соединений ФМУ.

Получено значение . Далее строился график ф_сдв для объемов ферритов в интервалах 0,3-2,5 см³ (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость у_сж и ф_сдв от размеров ферритовых образцов

Таблица 4

Расчетные значения модуля m

усж
m	V1, см3	V2, см3	Y1, кПа	Y2, кПа
1,85	0,3	0,5	220	290
1,82	0,5	0,75	176	220
1,8	075	1,0	150	176
1,82	1,0	1,25	132	150
фсдв
2,95	0,3	1,0	432	650
3,16	1,0	1,5	380	432

Третья глава посвящена разработке нейросетевой модели технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающей размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200ч650 кПа.

Основной идеей создания нейросетевой модели технологического процесса диффузионного соединения ФМУ являлось получение прочных диффузионных соединений при различных размерах ферритовых образцов. Для этого предложено регрессионное уравнение, справедливое, в отличие от известных уравнений, для различных марок феррогранатов:

,(9)

где - прочность на сдвиг ф_сдв, кПа диффузионного соединения; - температура Т, °С выполнения диффузионного соединения; - удельное давление Р_уд, кПа; - время t, мин изотермической выдержки при максимальной температуре.

В уравнении используются нормированные значения указанных параметров приведенные в табл. 5.

Таблица 5

Взаимосвязь нормированных и натуральных значений параметров

Нормированные значения параметров	Натуральные значения параметров
	Т, °С (х1)	Руд, кПа (х2)	t, мин (х3)
+ 1,682 + 1 0 -1 -1,682	1020 970 900 830 780	2,3•104 2,0•104 1,6•104 1,2•104 0,9•104	28 23 15 7 1,5

Предварительные расчеты показывают, что в данном уравнении используются неоправданно широкие интервалы варьирования значений параметров, которые при своих минимальных значениях (-1,68) практически не обеспечивают получение прочных (с технологической точки зрения) диффузионных соединений. Кроме того, уравнение пригодно для ФМУ с объемом ферритовых деталей 0,3 см³ (10Ч10Ч3 мм).

Анализ режимов диффузионного соединения по уравнению 9 показал, что большие значения параметра приводят к разрушению ферритовых образцов с объемом ферритов более 1 см³. Кроме того, диапазон значений параметра (время выдержки при максимальной температуре) практически не оправдывает использование минимальных значений, например -1,682 (1,5 мин). Поэтому возникла необходимость сортировки используемых значений параметров и в зависимости от размеров ферритовых образцов. Анализ расчетных и экспериментальных данных позволил предложить следующие зависимости средних значений параметров и диапазонов их изменений в зависимости от объема ферритовых деталей (см³) - :

- для ; ; (10)

- для ;

.

В уравнениях использованы нормированные значения параметров и в соответствии с табл. 5.

Оценивая диапазоны изменений значений параметров и можно предположить, что параметр рационально зафиксировать на значении 1,5 - 1005 °С, так как большие значения могут приводить к расплавлению меди, а использование меньших значений приводит к резкому снижению значений прочности диффузионных соединений (см. уравнение (9)).

По уравнениям (9) и (7) в дальнейшем рассчитывалась база исходных данных для обучения нейронной сети в виде зависимости ф_сдв =f(x₂, x₃, x₄) при фиксированных значениях x₁.

Для рассматриваемой задачи была выбрана однослойная нейронная сеть прямого распространения. Для расчетов использовалась свободно распространяемая программа NeuroPro 0.25 (автор Царегородцев В.Г.). Получена нейросетевая модель, тестирование которой показало полное соответствие предсказанных значений исходной базе данных (60 значений) со средней ошибкой 25,96 кПа и максимальной ошибкой 53,08 кПа при значениях прочности ф_сдв (выходное поле), изменявшихся в интервалах 200ч650 кПа.

На основании полученной нейросетевой модели строились зависимости ф_сдв от при фиксированных значениях и , а также зависимости ф_сдв от при фиксированных значениях и . Результаты приведены на рис. 7.

Рис. 7. Расчетные зависимости ф_сдв по предсказаниям нейронной сети

а - от удельного давления (х₂); б - от размерного фактора (х₄)

По приведенным зависимостям выбирались параметры диффузионного соединения для бариевого гексаферрита марки 03СЧФ2В1 с медью М0б (для объема феррита 0,3 см³: Т=1005°С; Р_уд=1,7·10⁴ кПа; t=16,4 мин), пунктирная линия на рис. 7, а. Получены экспериментальные диффузионные соединения, из которых изготовлены микрошлифы.

В четвертой главе разработана и оптимизирована конструкция технологической оснастки для получения диффузионного соединения крупногабаритных ФМУ.

Для сварки ФМУ с размерами ферритового элемента Ш30 мм, h = 5 мм, и 30Ч18Ч2,6 мм использовалась технологическая оснастка, представленная на рис. 8. В данной оснастке наблюдалось растрескивание ферритовых деталей, особенно для нижнего набора деталей. Это обстоятельство привело к использованию весьма малых значений скорости остывания ФМУ (V_о=0,08 єС/с) при выполнении диффузионных соединений.

Проводился тепловой расчет конструкции рассматриваемой технологической оснастки в динамическом режиме численными методами, с помощью программного пакета SolidWorks.

1 -экран из молибдена;

2 -пуансон из молибдена;

3 -верхний упор из нержавеющей стали;

4 - основание из молибдена;

5 - подставка из нержавеющей стали;

6 -кольцо из керамики;

7 - медная прокладка;

8 - ферритовый элемент;

9 - диск из сплава МД-40Н

с медной прокладкой;

10 - центрирующая обойма;

11 - промежуточный диск из молибдена;

12 - прокладки из слюды;

13 - термопара;

14 - керамическая пластина

Рис. 8. Схема технологической оснастки

Изменения мощности системы нагрева задавались изменением температуры на внешней поверхности экрана (рис. 8). Анализировалась температура на ферритовых деталях для верхней и нижней поверхностей, а также среднего сечения. Результаты расчета приведены на рис. 10, а, б, в, г для оснастки с молибденовым экраном с толщиной стенки S=8 мм. Анализ полученных результатов показывает, что ферритовая деталь нижнего набора находится в худших условиях по сравнению с верхним и средним наборами. Градиент температур в наихудшем (нижнем участке графика) составляет для феррита верхнего набора - 19 єС; среднего набора - 24 єС; нижнего набора - 35 єС. Скорость изменения температуры на нижнем феррите наибольшая (наблюдается резкий излом на графике). Учитывая обсужденные моменты, проводился поиск конструкции технологической оснастки уменьшающей или исключающей градиент температур на ферритовых деталях. Получены удовлетворительные результаты для конструкции, приведенной на рис. 9. Результаты расчета для данной конструкции приведены на рис. 10, д, е.

1 - экран из молибдена;

2 - пуансон из молибдена;

3 - кольцо из керамики;

4 - верхний и нижний упоры

из нержавеющей стали;

Вф - ферритовый диск

в верхнем наборе деталей;

Сф - ферритовый диск

в среднем наборе деталей;

Нф - ферритовый диск

в нижнем наборе деталей

Рис. 9. Схема технологической оснастки



Рис. 10. Зависимости изменения температур на ферритовых деталях

в технологической оснастке рис. 9 (а - экран, б - верхний феррит,

в - средний феррит, г - нижний феррит) и рис. 10 (д - верхний феррит,

е - нижний феррит

Видно резкое уменьшение градиентов температур на ферритовых деталях: для верхнего набора - 4 єС; нижнего набора - 8,5 єС. Существенно улучшена плавность изменения температур, что уменьшает риск разрушения ферритовых деталей.

В результате возможно использования больших скоростей нагрева для конструкции технологической оснастки приведенной на рис. 9. Предложено пропорциональное (по градиентам и скоростям охлаждения) увеличение скорости остывания до V_о=0,12 єС/с, что позволяет сократить операционное время выполнения диффузионного соединения на 1.2 часа (23%).

В пятой главе приведены результаты испытаний ФМУ различных размеров (0,3; 0,5; 2,5 см³) выполненных по технологическим параметрам, определенным по разработанной нейросетевой модели диффузионного соединения.

ФМУ выдержали все термоциклические, вибрационные и динамические (одиночные удары) нагрузки, предъявляемые к ЭВП СВЧ (испытания проводились на ЗАО НПК «Феррит-Квазар»).

ФМУ, выполненные на основе диффузионного соединения, применялись при создании первых мощных широкополосных ЛБВМ дециметрового диапазона со встроенными ферритовыми элементами (рис. 11).

В процессе создании ферритового вентиля, встраиваемого в узел замедляющей системы ЛБВМ и имеющего значительную длину, для уменьшения остаточных напряжений в ферритах, вентиль изготавливался из нескольких коротких составных частей (рис. 12). Узлы крепятся к анодной крышке прибора пайкой медно-серебряным припоем .

Испытания в динамическом режиме ЛБВМ с ферритовым вентилем, встроенным в вакуумную полость, показали значительное улучшение выходных параметров прибора. Введение вентиля внутрь лампы наиболее благоприятно сказалось на устойчивости ее работы.

Рис. 11. Конструкции малогабаритных

ферритометаллических узлов.

1 - ферритовый элемент;

2 -- прокладка из меди МБ;

3 - компенсатор термических напряжений из псевдосплава МД (медь + молибден)



Рис. 12. Фотография узла замедляющей системы ЛБВМ с ФМУ

Результаты испытаний приборов в динамическом режиме подтверждают преимущества разработки ЛБВМ с ферритометаллическим внутриламповым вентилем.

ВЫВОДЫ

На основании выполненных исследований решена актуальная научная задача, заключающаяся в разработке технологии диффузионного соединения феррогранатов с медью для широкого диапазона размеров ферритовых деталей, которые могут использоваться в ферритовых и электровакуумных приборах.

1. Определены температурные интервалы стабильности химического (фазового) состава феррогранатов и феррошпинелей при нагреве в вакууме 1·10^-3 Па: для феррогранатов - до 1436 єС; для никелевой феррошпинели - до 1042°С; для магниевой феррошпинели - до 863°С.

2. Установлено, что в контакте феррошпинель-медь при нагреве в вакууме 10^-3Па в интервале температур 9001000 ⁰С образуется оксид Сu₂O за счет выделения кислорода из объема феррита, который определяет прочностные свойства диффузионного соединения указанных материалов.

3. Учитывая выявленные особенности поведения феррошпинелей в условиях нагрева в вакууме, они не могут использоваться для изготовления ФМУ электровакуумных приборов.

4. Разработаны аналитические модели теплопроводности ФМУ выполненных клейкой, пайкой и диффузионным соединением, которые позволяют определить максимальные температуры их нагрева при заданных значениях поглощенной ферритами мощности СВЧ-сигнала (20ч30 Вт/см³) в зависимости от толщины ферритовых деталей, а также показать, что теплопроводность диффузионных соединений на 8ч12% больше по сравнению с клеевыми соединениями/

4. Впервые разработана нейросетевая модель технологического процесса диффузионного соединения феррогранатов с медью, учитывающая размеры ферритов на основе статистической модели Вейбулла и обеспечивающая получение ФМУ с прочностью на сдвиг в интервалах 200ч650 кПа.

6. Изготовлены экспериментальные образцы диффузионных соединений гексаферрита бария марки 03СЧФ2В1 с медью, при значениях технологических параметров (T=1005°C; P=1,7·10⁴ кПа; t=16,4 мин; объем ферритовых деталей - 0,3 см³; скорость остывания ФМУ V_ос=0,2 °C/с), выбор которых осуществлен по разработанной нейросетевой модели для феррогранатов.

7. Методами численного моделирования (программный пакет SolidWorks) исследованы конструкции технологической оснастки для выполнения диффузионных соединений ФМУ, найдены конструктивные решения позволяющие сократить градиент температур на ферритовых деталях с 19ч35 до 5ч10°C, что позволяет повысить скорость остывания с 0,08 до 0,12°C/с и сократить операционное время на 1,2 часа (23%).

8. Изготовлена и испытана первая в стране мощная широкополосная ЛБВМ дециметрового диапазона с ферритовым вентилем встроенным в узел замедляющей системы в НИИ «Алмаз», результаты испытания прибора изготовителем приведены в актах внедрения.

9. Разработанные технологии диффузионных соединений феррогранатов, 30СЧ3, 40СЧ4, 30СЧ6, 10СЧ6 с медью М0б используются в ЗАО НПК «Феррит-Квазар» при изготовлении ферритовых приборов.

Содержание диссертации изложено в следующих работах

В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Куц, Л.Е. Влияние термовакуумной обработки на свойства ферритовых материалов / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, Г.В. Конюшков // Вакуумная техника и технология. - 2011. - Т. 21. - №2. - С. 74.

2. Куц, Л.Е. Создание механически прочных соединений металлов с различными видами ферритов / Н.М. Котина, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц, Е.А. Донец // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - №2 (56). Вып. 2. - С. 168-170.

3. Куц, Л.Е. Изменение свойств ферритовых материалов при нагреве в вакууме / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, В.Г. Конюшков // Вакуумная техника и технология. - 2011. - №4. Т. 21. - С. 237-238.

4. Куц, Л.Е. Особенности крепления ферритовых элементов на металлических корпусах радиоэлектронных приборов / О.Ю. Жевалев, Г.В. Конюшков, Л.Е. Куц // Антенны. - 2011. - №11. - С. 68-71.

В других изданиях

1. Куц, Л.Е. Проблемы диффузионной сварки гексаферритов с металлами / Л.Е. Куц, С.В. Семенов, О.Ю. Жевалев // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2009: сб. тр. 8-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2009. - С. 325-330.

2. Куц, Л.Е. Особенности анализа свариваемости металлосплавных двухфазных катодов мощных электровакуумных приборов при диффузионной сварке / С.В. Семенов, Л.Е. Куц, А.О. Жевалев // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2010: сб. тр. 9-ая Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2010. - С. 330-336.

3. Куц, Л.Е. Анализ изменения давления кислорода в контакте феррит-металл в условиях процесса диффузионной сварки / Л.Е. Куц, А.О. Жевалев, Н.М. Котина // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2010: сб. тр. 9-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2010. - С. 326-329.

4. Куц, Л.Е. Теплопроводность сварных, паянных и клеевых соединений для феррито-металлических узлов / Н.М. Котина, Л.Е. Куц, А.О. Жевалев, В.Г. Конюшков // Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: материалы II Всерос. науч.-практ. конф - Махачкала: Изд-во Дагестан. ГТУ, 2010. - С. 28-31.

5. Куц, Л.Е. Вакуумная установка для диффузионной сварки металоферритовых узлов / К.А. Романченко, Н.И. Кузнецов, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц // Вакуумная техника и технология: материалы V Рос. студ. науч.-техн. конф. - Казань: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 132-133.

6. Куц, Л.Е. Вакуумно-термическое воздействие параметров диффузионной сварки на магнитные свойства ферритов / К.А. Романченко, Н.И. Кузнецов, О.Ю. Жевалев, Л.Е. Куц // Вакуумная техника и технология: материалы V Рос. студ. науч.-техн. конф. Казань: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 44-45.

7. Куц, Л.Е. Разработка вакуумного оборудования со световым нагревом для пайки и диффузионной сварки деталей и узлов машин / Н.М. Котина, Л.Е. Куц, В.В. Вязовский, А.Г. Пшеничный, А.В. Райко // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано- до макроуровня: материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 ч. Ч. 2. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - С. 180-182.

8. Куц, Л.Е. Магнитные свойства феррогранатов в условиях процесса диффузионной сварки в вакууме / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина, А.О. Жевалев // Вакуумная наука и техника: материалы XVIII науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. - М.: МИЭМ, 2011. - С. 3.

9. Куц, Л.Е. Нейросетевая модель процесса диффузионной сварки ферритов с металлами / Л.Е. Куц, О.Ю. Жевалев, Н.М. Котина // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2011: сб. тр. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2011. - С. 351-354.

10. Куц, Л.Е. Создание феррито-металлических узлов с заданными магнитными характеристиками / Н.М. Котина, А.М. Рыженко, Л.Е. Куц // Быстрозакаленные материалы и покрытия - 2011: сб. тр. 10-й Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. - М.: МАТИ, 2011. - С. 379-381.

Размещено на Allbest.ru