行波管故障現(xiàn)象分析及可靠性提升研究

祝頌東，孫宇楠，梁 田

(1.陸裝駐南京地區(qū)第一軍事代表室，江蘇 南京 210024；2.南京三樂集團有限公司，江蘇 南京 211800)

行波管(Travelling Wave Tube，TWT)作為裝備的重要器件，具有寬頻帶、高效率、高增益、大功率等特點，廣泛應(yīng)用于軍用雷達、通信、衛(wèi)星載荷及探測等領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用[1-2]，其可靠性亦對裝備可靠性具有重要的影響[3]。

行波管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)量多、制造工藝復(fù)雜、所用材料類型繁多且工作環(huán)境條件特殊，其工作原理和設(shè)計制造牽涉到物理電子、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、真空科學(xué)等多學(xué)科理論的交叉。行波管制造涉及的工藝[4]包括精密加工技術(shù)(激光加工、電火花加工等)、表面處理技術(shù)(清洗、電鍍、磁控濺射覆膜、噴砂、電子束覆膜、高溫除氣)、焊接技術(shù)(釬焊、熔焊、擴散焊)、精密裝配與測量技術(shù)、超高真空獲得與維持技術(shù)及長壽命陰極技術(shù)等；涉及的材料類型包括陰極、熱子材料、焊料、磁性材料、功能材料、難熔金屬及其合金、有色金屬及其合金、陶瓷材料及一些特殊的工藝氣體等，據(jù)不完全統(tǒng)計含元素周期表中70 余種元素；行波管工作時，部分材料長期工作在高溫下，需要良好的高溫物理性能和力學(xué)性能，對材料的疲勞特性、強韌特性有很高的要求；同時一些材料工作在真空環(huán)境中，電子發(fā)射及其與材料的互作用會受到真空氣氛的影響，對產(chǎn)品的致密性、焊接性能及放氣特性有特殊要求。此外，大部分工藝過程為特殊工序，加工結(jié)果難以通過常規(guī)檢驗或試驗而充分驗證，往往只能到產(chǎn)品環(huán)境驗證階段才暴露出問題?？偟膩碚f，行波管可靠性問題是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

在行波管可靠性技術(shù)方面，國外相關(guān)工作開展的較早。如美國在20 世紀80 年代就建立了全壽命周期的行波管可靠性數(shù)據(jù)庫，降低了裝備系統(tǒng)中行波管的成本；日本也在90 年代就行波管可靠性評估試驗和可靠性保證方案等開展了研究[5]。相關(guān)工作有效保障了其TWT 產(chǎn)品的可靠性。根據(jù)SSL 公司和波音公司的在軌微波功率放大器數(shù)據(jù)，相比固態(tài)功率放大器(SSPA)，行波管放大器(TWTA)不僅具有更高的功率和頻率，且具有更好的可靠性[6-7]，且通過不斷地改進工藝，TWT 的失效率仍在不斷降低[8]。此外，與基于MIL-HDB 217F 標準的可靠性估計結(jié)果相比，在軌行波管的可靠性評估結(jié)果顯著高于前者[8]。

近年來，國內(nèi)相關(guān)廠所也開展了行波管可靠性研究，如通過改進電子源性能、強化過程控制、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計[9]，改進制備過程中的具體工藝[10-11]，或基于失效機理分析給出改進措施[12-13]，來提升行波管可靠性；基于對行波管熱學(xué)和力學(xué)特性的仿真，開展熱可靠性和結(jié)構(gòu)抗振可靠性的分析與設(shè)計[14-15]等。相關(guān)工作促進了國產(chǎn)行波管可靠性的持續(xù)提升，取得了顯著效果。但國產(chǎn)行波管可靠性與國際先進水平相比，仍有明顯的差距。

本文通過分析行波管典型故障現(xiàn)象，從中提煉出共性問題，建立行波管故障庫，最后從材料選用、工藝提升及過程控制等方面提出了針對性的方法，實現(xiàn)了行波管的可靠性增長。

1 行波管常見故障現(xiàn)象分析

和其他電子元器件類似，行波管出現(xiàn)的失效模式與材料選用、工藝技術(shù)及過程控制息息相關(guān)，而且呈現(xiàn)出相當程度的復(fù)雜性。經(jīng)統(tǒng)計并歸類總結(jié)，引起行波管不能工作的典型單點故障現(xiàn)象如圖1 所示，主要包括開路、短路、漏氣、收集極故障及功率下降幾種。下面對這些故障現(xiàn)象逐一進行闡述和分析。

圖1 行波管常見故障現(xiàn)象

1.1 開路

行波管中主要的開路問題包括熱子開路和外部導(dǎo)線開路。

其中熱子開路主要體現(xiàn)為熱絲在經(jīng)過數(shù)千次通斷后，在一些特殊用途中故障率大幅上升。究其原因，主要是傳統(tǒng)行波管使用的鎢絲塑性和韌性較差，在繞制、高溫定型等工藝過程中及長期受熱-力作用的情況下可能出現(xiàn)斷裂、脆斷等現(xiàn)象。

外部導(dǎo)線開路體現(xiàn)為行波管在環(huán)境試驗中受力、熱等應(yīng)力作用時，外部導(dǎo)線引出的焊接部位的導(dǎo)線線芯出現(xiàn)割斷或虛焊現(xiàn)象。該現(xiàn)象雖不多見，但一旦出現(xiàn)便是批次性問題，且該故障往往會造成較為嚴重的后果，因此必須特別重視和關(guān)注。該故障的成因主要取決于將導(dǎo)線焊接在電子槍封接環(huán)上時采用的軟釬焊或點焊工藝。

1.2 短路

短路問題主要體現(xiàn)為熱子短路和鈦泵短路。據(jù)統(tǒng)計，熱子短路是產(chǎn)品生產(chǎn)過程中常見的故障之一，屬于早期故障模式。失效件如圖2 所示，熱子表面電泳的氧化鋁層揮發(fā)，其接觸的氧化鋁灌注體處明顯發(fā)黑，這是因為氧化鋁與鎢絲在高溫下(1 500 ℃以上)發(fā)生化學(xué)作用生成了Al 和WO2，發(fā)黑導(dǎo)致局部短路，造成熱子溫度繼續(xù)升高，反應(yīng)速率大幅上升，最終導(dǎo)致熱子完全短路。鈦泵(二極型微型濺射離子泵)短路現(xiàn)象出現(xiàn)概率相對較少，主要出現(xiàn)在有振動要求的產(chǎn)品上，體現(xiàn)為方框形陽極結(jié)構(gòu)變形造成短路。

圖2 熱子短路失效件

1.3 漏氣

行波管是由多種金屬和非金屬材料通過焊接連接成的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的構(gòu)件，出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象就會喪失工作能力，氣密性要求漏率≤1×10-11Pa·m3/s。引起漏氣的因素很多，可能是材料質(zhì)量問題，可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，也有可能是焊接工藝參數(shù)選取不合理，甚至是零件鍍層質(zhì)量問題等。焊接方法有釬焊、熔焊(激光焊、氬弧焊、電子束焊)、冷壓焊及擴散焊。以某型行波管為例，其焊縫達上百處，有時即使焊接后檢漏結(jié)果顯示氣密，但在排氣烘烤后以及各類環(huán)境試驗后仍出現(xiàn)漏氣。這里重點討論釬焊過程中由于工藝、材料缺陷造成的漏氣。

某型行波管的槍殼采用疊封結(jié)構(gòu)，即多層平封結(jié)構(gòu)(銅焊)，在排氣烘烤后出現(xiàn)漏氣。為了準確定位漏氣原因，將失效件制備金相試樣進行金相顯微觀察，發(fā)現(xiàn)焊料層存在較大的孔洞，如圖3 所示。

圖3 焊料層存在明顯的孔洞

因此可以判斷造成漏氣的原因是焊料層存在貫穿性孔洞。復(fù)查工藝過程發(fā)現(xiàn)焊接后不銹鋼材質(zhì)的螺釘已松動。分析認為，釬焊過程中不銹鋼自身膨脹量較大，引起螺釘對部件的緊固力不足，導(dǎo)致焊縫間隙過大，焊料無法充分填滿焊縫而形成氣孔缺陷。

某型行波管復(fù)合管殼中的連接環(huán)采用彌散無氧銅，管殼釬焊后存在漏氣現(xiàn)象，顯微觀察和成分分析的結(jié)果如圖4 所示。由圖4(a)可見，連接環(huán)有明顯變形現(xiàn)象；由圖(4b)的掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)分析可見，管殼漏氣部位焊料中的銀元素大量滲透入連接環(huán)內(nèi)部；由圖4(c)的金相分析結(jié)果可見，彌散無氧銅中存在聚集性孔隙。綜上可見，由于彌散無氧銅材料致密性差，焊料中的銀元素明顯滲透至材料內(nèi)部，造成連接環(huán)變形及管殼漏氣。

圖4 彌散無氧銅連接環(huán)釬焊后

1.4 收集極質(zhì)量問題

收集極的制造方法主要包括釬焊、磁擠壓、熱擠壓等，其中釬焊型收集極散熱能力最強、電極結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，但一直以來受限于分析檢測手段，無法實現(xiàn)焊接質(zhì)量的無損檢測，難以發(fā)現(xiàn)焊接隱患，造成產(chǎn)品后期應(yīng)用過程中失效率較大，對產(chǎn)品可靠性造成了極大的影響。

1.5 功率下降

引起功率下降的因素較多，如使用過程中未按照規(guī)定對產(chǎn)品進行通風或通水散熱，引起局部過熱，導(dǎo)致啟動溫度控保，這屬于外部使用因素。本文主要聚焦行波管的內(nèi)部因素，包括陰極發(fā)射電流下降、高頻裝配質(zhì)量差引起的銅膜蒸發(fā)，以及衰減器的匹配性能差等。

通過解剖功率下降的多只行波管及失效原因，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致陰極發(fā)射電流下跌的主要因素如圖5(a)-5(c)所示。包括:5(a)鎢銅基體化學(xué)去銅后殘留雜質(zhì)；5(b)陰極浸漬時鋁酸鹽填充不充分；5(c)車加工導(dǎo)致陰極表面堵孔。分析認為，浸漬前鎢基體存在輕微氧化是導(dǎo)致浸漬不充分的原因，而刀具磨損及恒轉(zhuǎn)速加工是導(dǎo)致陰極表面堵孔的因素。

圖5 導(dǎo)致陰極發(fā)射電流下降的因素

高頻輸出段由管殼、夾持桿和鍍銅螺旋線組成，如圖6(a)所示，只有三者之間實現(xiàn)緊密接觸，才能將管內(nèi)的熱量導(dǎo)出；而如圖6(b)所示，輸出端靠近收集極的部分是螺旋線溫度最高的部分。輸出段的常規(guī)裝配方法是在冷態(tài)下楔入鉬制緊固片固定螺旋線和夾持桿，屬于手工操作，過程的不可控會導(dǎo)致各部位的緊固程度不一而造成螺旋線容易局部過熱，待溫度累積并超過一定限度后，螺旋線表面銅膜在高溫下熔融呈顆粒狀并蒸發(fā)至夾持桿表面。如圖7(a)和7(b)所示，最終導(dǎo)致行波管功率下降直至無法工作。

圖6 行波管高頻輸出段熱仿真

圖7 行波管高頻輸出段局部過熱結(jié)果

螺旋線行波管夾持桿表面的碳膜衰減器是抑制振蕩、保障行波管穩(wěn)定工作的關(guān)鍵部件。行業(yè)內(nèi)常用萬用表測量衰減量及其分布(即阻值的漸變情況，如圖8(b)所示)。這種測試方法測量結(jié)果并不是真正意義上的衰減分布，不能剔除有缺陷的衰減器，在相當長的一段時間內(nèi)，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)管子振蕩造成產(chǎn)品功率下降的問題。此外，該方法測量效率也非常低，除與管殼接觸的面不需要測試，其余三個面均進行數(shù)十個點的測試，占用了大量的工時。

圖8 夾持桿上的碳膜厚度分布和衰減量分布示意圖

2 行波管可靠性提升研究

根據(jù)對行波管出現(xiàn)的不同故障現(xiàn)象的分析，從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計改進、工藝方法改進以及加強過程控制等多個角度出發(fā)，采取有針對性的措施，實現(xiàn)行波管可靠性持續(xù)增長的目的。

2.1 材料結(jié)構(gòu)設(shè)計改進

在材料改進方面，針對行波管熱子開路問題，采用鎢錸合金絲(牌號:WAL-20Re)替代傳統(tǒng)的鎢絲，由于錸的加入，提升了材料的再結(jié)晶溫度，改善了合金絲的加工性能和延展性，因而經(jīng)過50 000 次甚至數(shù)十萬次通斷試驗仍保持良好的性能，徹底解決了熱子開路的問題；此外，隨著銅合金冶煉及熱處理技術(shù)的進步，彌散無氧銅的致密性大幅提高，現(xiàn)已徹底解決了彌散無氧銅焊接后漏氣的問題。其余材料如鉬材可采用高強細晶鉬材，純鐵可采用純度更高的型號(DT9)等，可有效改善相關(guān)問題。

針對鈦泵在振動條件下的短路問題，更改陽極結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用不銹鋼圓筒結(jié)構(gòu)型替代原來的矩形方框結(jié)構(gòu)，如圖9 所示。陽極的固定方式由原來的點固定改為線固定，焊接方式由手工電阻點焊全部改為激光點焊。這樣通過對結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化，避免了振動過程中矩形方框變形以及手工點焊質(zhì)量差帶來的陰陽極短路問題。

圖9 改進前的鈦泵陽極結(jié)構(gòu)(左)和改進后的結(jié)構(gòu)(右)

2.2 工藝改進

2.2.1 焊接工藝改進

針對外部導(dǎo)線開路問題，通過改進焊接工藝和固定方式來解決問題。如圖10 所示，通過嚴格控制點焊焊點質(zhì)量(圖(a))，規(guī)范軟釬焊過程中高壓導(dǎo)線剝線、搪錫(圖(b))，固定、焊接、固定(圖(c))各個環(huán)節(jié)，并選用高溫錫銀焊料[11]，能夠提高行波管高壓導(dǎo)線抗應(yīng)力損傷等環(huán)境試驗的能力，從而降低高壓引線失效的風險、提高其可靠性。

圖10 外部導(dǎo)線固定工藝的改進

針對槍殼漏氣問題，通過將不銹鋼螺釘改為鉬制或可伐這些低膨脹系數(shù)的螺釘，利用螺釘與焊件材料之間的膨脹系數(shù)差，使得高溫時焊縫處仍然保持有足夠的緊固力，實現(xiàn)了焊料浸潤并充分填充焊縫的目的，改進后部件未出現(xiàn)類似漏氣問題。

2.2.2 高頻結(jié)構(gòu)裝配方法改進

針對高頻輸出段裝配質(zhì)量差導(dǎo)致的行波管輸出功率下降，采用熱膨脹夾持的方法改進了裝配工藝，即對管殼進行高頻加熱使其膨脹，然后將夾持桿和螺旋線組合推入管殼，待管殼冷卻后即可實現(xiàn)完全的緊固，經(jīng)測試熱推后阻值滿足裝管要求，目前該過程已經(jīng)實現(xiàn)了自動控制，避免了人為因素影響。

2.2.3 陰極制造工藝改進

針對陰極鎢銅基體化學(xué)去銅后殘留雜質(zhì)的問題，采用真空物理去銅工藝[10]對基體去銅處理達到徹底去銅目的。通過加熱鎢銅基體使銅熔化，并利用真空環(huán)境使銅迅速蒸發(fā)進而冷凝收集。如圖11 所示為真空物理去銅前后的照片，可見去銅后的基體顏色有明顯變化。針對浸漬鋁酸鹽時填充不充分的問題，將鎢基體再次置于氫爐中還原，這樣處理后浸漬后破壞性抽檢的陰極斷面如圖12(a)所示，可見填充情況較好。針對陰極表面堵孔問題，通過優(yōu)化刀具，采用氮化硼涂層刀具并采用恒線速度加工，較好地解決了該問題。工藝改進后的陰極表面如圖12(b)所示，可見已基本無堵孔。針對熱子短路問題，將M 型覆膜鋇鎢陰極激活溫度降為1 200 ℃，這樣熱子最高溫度不超過陰極溫度以上200 ℃即1 400 ℃[16]，杜絕了熱子由于溫度過高導(dǎo)致短路的隱患。

圖11 陰極基體真空物理去銅前(左)后(右)的照片

圖12 陰極制備工藝改進后

2.3 加強過程控制

過程控制是保障產(chǎn)品成品率和可靠性的重要手段，除了加強工藝過程中的檢測次數(shù)之外，增強工藝過程中的質(zhì)量檢測能力是實施過程控制的關(guān)鍵。下面重點介紹針對收集極的無損檢測方法及碳膜衰減自動測試技術(shù)。

2.3.1 收集極的無損檢測方法

針對收集極焊接質(zhì)量難于監(jiān)測的問題，本文介紹了一種基于工業(yè)CT 的無損檢測方法，即對收集極進行微焦點工業(yè)CT 斷層掃描，采用算法重構(gòu)建模軟件生成3D 模型，使用專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件截取焊縫位置圖片，最后采用金相分析軟件計算出焊縫內(nèi)焊料潤濕鋪展區(qū)與總焊接面的比值，即為焊縫釬著率。圖13 所示，為一釬焊型收集極樣品的檢測結(jié)果，檢出其釬著率為90.89%。為進一步驗證檢測的準確性，解剖收集極后觀察焊接處粘瓷狀況，并與工業(yè)CT 分析結(jié)果圖對比，如圖14 所示，可見釬著率的CT 分析結(jié)果與有損檢測結(jié)果吻合。

圖13 釬焊型收集極樣品工業(yè)CT 分析結(jié)果

圖14 工業(yè)CT 分析結(jié)果(上)與實物解剖結(jié)果(下)對比

目前該無損檢測方法已批量應(yīng)用于某型行波管的科研及生產(chǎn)過程中，整管經(jīng)歷排氣烘烤和溫度循環(huán)等試驗，未發(fā)現(xiàn)行波管因收集極焊接質(zhì)量不當而產(chǎn)生的故障問題，可見工業(yè)CT 這一檢測方法對實現(xiàn)質(zhì)量控制起到了極為關(guān)鍵的作用。

2.3.2 衰減器測試技術(shù)

為實現(xiàn)夾持桿衰減器衰減分布的檢測，我們采用矩形波導(dǎo)模擬行波管內(nèi)的電場模式，用反射損耗S11來衡量衰減特性。在波導(dǎo)的寬邊的正中(波導(dǎo)正中的電場最強)開一個小孔來引入夾持桿，將矩形波導(dǎo)設(shè)計為高度漸變的扁波導(dǎo)，選擇合適的步進電機步進值以達到要求的測量分辨率。采用該種方法后，可精確比較同一批夾持桿表面衰減器的衰減曲線，如圖15 所示，及時剔除衰減分布曲線異常的夾持桿，確保行波管工作的穩(wěn)定性。

圖15 衰減器衰減曲線自動測試結(jié)果

通過采用上述針對性的解決措施，所制造行波管的平均良品率從2010 年的30%～50%提升到目前的70%～85%，部分產(chǎn)品的良品率可以達到95%以上。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了以往制約行波管可靠性的典型故障現(xiàn)象，通過采用一系列失效分析手段定位了失效原因，并采用材料設(shè)計優(yōu)化、工藝改進及過程控制改進等可靠性增長技術(shù)，給出了有針對性的解決措施，包括:通過選擇性能更優(yōu)的材料解決了熱子開路、管殼封接處漏氣等問題；通過修改陽極結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計避免了鈦泵振動后短路的問題；通過改進焊接、高頻結(jié)構(gòu)裝配、陰極制造等工藝，解決了外部導(dǎo)線開路問題、高頻輸出段裝配質(zhì)量差及陰極發(fā)射電流下降導(dǎo)致的行波管功率下降以及熱子短路問題；利用工業(yè)CT 無損檢測技術(shù)和碳膜衰減分布自動測試技術(shù)提升了過程控制能力，保障了釬焊型收集極的質(zhì)量，有效降低了行波管由于衰減器質(zhì)量問題導(dǎo)致的振蕩和功率下降。實踐表明，上述措施使得行波管產(chǎn)品的一致性和可靠性得到了顯著的提升，行波管的平均良品率10 年間提升了約2 倍，驗證了所述典型失效模式的正確性和可靠性增長技術(shù)的有效性。