微波爐用磁控管碳化釷鎢陰極斷裂失效分析

　　本文采用掃描電鏡、X射線殘余應(yīng)力分析儀、金相顯微鏡等工具分析了微波爐用磁控管碳化釷鎢陰極的斷裂失效機(jī)理，碳化后釷鎢陰極較粗大的晶粒與內(nèi)應(yīng)力是其斷裂的主要原因。

　　微波爐磁控管釷鎢陰極碳化后形成的層狀碳化層可以降低電子逸出功，延長陰極的使用壽命。但是，碳化釷鎢原子薄膜陰極的使用壽命與機(jī)械強度是相互矛盾的。W2C層越厚，其機(jī)械強度就越低，所以W2C層厚度應(yīng)有合適的范圍。但為了滿足磁控管具備長期穩(wěn)定的發(fā)射能力與足夠高的發(fā)射電流密度，碳化率一般控制在12%～28%范圍內(nèi)。因此，陰極強度低、脆性大，導(dǎo)致磁控管陰極在生產(chǎn)、運輸過程中斷裂，高峰時會超過1%。由于磁控管屬于焊接結(jié)構(gòu)件，一旦陰極斷裂，就會導(dǎo)致整個磁控管報廢，造成巨大的物料成本損耗。因此，磁控管制造企業(yè)需要研究釷鎢陰極斷裂失效機(jī)理，并根據(jù)生產(chǎn)實際情況制定降低陰極斷裂的有效措施。

1、斷口分析

　　螺旋型陰極斷口外表面掃描電鏡(SEM)如圖1所示。陰極外表面存在縱橫交錯的網(wǎng)狀裂紋，而人字形裂紋位于陰極的內(nèi)表面，且有規(guī)則的排列。從斷口形貌來看，無明顯的塑性變形，表面存在羽毛狀的河流花樣。裂紋由表及里擴(kuò)展，裂紋的寬度逐漸減小。陰極表面存在約40μm 厚的碳化層，且呈層狀分布。根據(jù)斷口形貌特征判斷，此陰極的斷裂類型屬于解理型穿晶斷裂。兩條裂紋交接的人字形裂紋最頂端存在應(yīng)力集中而形成斷裂源，裂紋沿著人字形裂紋張開的方向逐漸擴(kuò)展，直至陰極斷裂。

圖1　碳化釷鎢陰極斷口形貌

2、金相分析

　　螺旋型陰極碳化后各斷面的金相組織如圖2所示。從陰極中間向兩端，碳化層逐漸變薄，兩端第1圈甚至無碳化層。中間第5、6圈碳化層最厚，達(dá)40μm左右，碳化層厚度與其圈數(shù)的關(guān)系如圖3所示。在碳化層最厚的第5、6圈里，晶粒異常長大，平均晶粒度達(dá)220μm，而在陰極兩端第1、2圈，晶粒大小基本上沒什么變化，這種現(xiàn)象與碳化時各圈的溫度有緊密的關(guān)系。由于螺旋型陰極依靠自身通電加熱碳化，兩端溫度低，而中間溫度高。碳化時，第5、6圈陰極的溫度高達(dá)2100℃，遠(yuǎn)高于釷鎢的再結(jié)晶溫度(約1350℃)，晶粒就迅速長大;而兩端陰極溫度約為1200℃，所以晶粒無明顯長大。

圖2　碳化釷鎢陰極各圈金相組織

圖3　陰極圈數(shù)與碳化層厚度關(guān)系曲線圖

3、應(yīng)力分析

　　采用X射線殘余應(yīng)力測試儀檢測經(jīng)各工序處理后陰極各圈存在的應(yīng)力狀況，如圖4所示。由圖可見，陰極碳化處理前，包括原材料、用氫還原以及高頻焊接后的陰極各圈的殘余應(yīng)力大小基本一致，且均為壓應(yīng)力;而碳化后的三個陰極各圈的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且兩端第2圈陰極的殘余應(yīng)力超過500MPa，明顯大于其它各圈陰極，最大差距達(dá)2.5倍。

圖4　各工序后釷鎢陰極的殘余應(yīng)力

　　為了研究殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因，進(jìn)一步研究了先碳化后高頻焊接后陰極應(yīng)力的分布狀況，如圖5所示�？梢钥闯�，兩種實驗方案的殘余應(yīng)力分布截然不同。正常工藝的先焊接后碳化的應(yīng)力，兩端大，中間小;而先碳化后焊接的應(yīng)力兩端小，中間較大，且兩端的應(yīng)力遠(yuǎn)低于正常碳化工藝的應(yīng)力值。從此結(jié)果來看，兩端第2圈存在較大的殘余內(nèi)應(yīng)力，而此應(yīng)力是產(chǎn)生陰極斷裂的主要原因。

圖5　先碳化后焊接釷鎢陰極的殘余應(yīng)力

4、結(jié)論

　　碳化釷鎢陰極的斷裂類型屬于解理型穿晶斷裂;碳化后釷鎢陰極較粗大的晶粒與內(nèi)應(yīng)力是其斷裂的主要原因。因此，改進(jìn)釷鎢陰極碳化工藝以細(xì)化晶粒與降低內(nèi)應(yīng)力是降低釷鎢陰極斷裂率的主要改善方向。