Тугоплавкие металлы в термоэлектронных преобразователях для космических летательных аппаратов

15.11.2019

Введение


Бортовые источники питания на космических летательных аппаратах представляют собой в большинстве случаев батареи солнечных элементов с низким к. п. д. Они громоздки, хрупки и весьма дороги. Кроме того, выходная мощность солнечных элементов может значительно снизиться под воздействием космической радиации. В связи с недостатками солнечных элементов в настоящее время проводятся большие исследования по разработке систем преобразования энергии для бортовых источников питания. Теоретически доказано, что термоэлектронные преобразователи (например, диоды, осуществляющие прямое преобразование тепловой энергии в электрическую) имеют значительные преимущества. В этом случае могут быть использованы различные источники тепла, в том числе ядерные и радиоизотопные. П рассматриваемых устройствах тепловая энергия при работе в космических условиях должна поступать от концентраторов солнечной энергии. Такие устройства использовались также в наземных испытаниях на срок службы, однако для удобства здесь применялся нагрев с помощью электронной бомбардировки. Как показывает накопленный к настоящему времени опыт, можно утверждать, что, прежде чем удастся реализовать все преимущества таких устройств, придется решить целый ряд трудных задач по созданию нужных материалов.

Диоды, разработанные для данной программы, — конструкционно простые устройства (фиг. 1.1). Электроны излучаются нагретым катодом и поступают через насыщенное парами цезия межэлектродное пространство к более холодному аноду (коллектору). Часть энергии электронов сообщается коллектору, а остаток преобразуется в электрическую энергию. Кроме жестких ограничений по размеру, весу и надежности узлов космических летательных аппаратов, существуют еще два усложняющих обстоятельства, связанные с термоэлектронными преобразователями: высокая рабочая температура и коррозионное воздействие паров цезия. Излучатель электронов (катод) — самая горячая часть диода (до 2000° С). Излучатель должен обладать не только стабильностью при таких температурах, но и хорошей способностью к термоэлектронной эмиссии. В настоящее время имеется очень мало тугоплавких материалов, пригодных для такого излучателя. Трудно также подобрать материал для тонкой втулки между излучателем и металлокерамическим уплотнением. Ее назначение состоит в том, чтобы свести к минимуму тепловые потери излучателя и таким образом способствовать поддержанию к. п. д. преобразователя на высоком уровне. Эта втулка способствует еще и тому, чтобы нагрев уплотнения не выходил за рамки определенного температурного интервала. При изготовлении узлов излучатель — втулка возник ряд трудностей. Вместе с тем было установлено, что втулки под воздействием паров цезия корродируют и часто дают утечку.

Цель данной работы — обобщить опыт по тугоплавким металлам, связанный с программой разработки термоэлектронных диодов. По упомянутым выше проблемам приводятся некоторые подробности; вместе с тем излагаются и методы преодоления других трудностей, связанных с изготовлением (особенно с соединением), а также с рабочими характеристиками тугоплавких материалов.

Трудности изготовления тугоплавких металлов в термоэлектронных преобразователях


Самой трудной частью экспериментальных преобразователей был узел излучатель — втулка (фиг. 1.1). Их приходится соединять в один узел, изготавливая в некоторых случаях втулку отдельно и затем приваривая ее к эмиттеру. Перечислим основные затруднения, возникающие при механической обработке этого узла. Поскольку толщина стенки втулки составляет около 0,076 мм, необходимо принимать особые меры предосторожности, чтобы не допустить поломки втулки при механической обработке и соблюдении допусков. Кроме того, рабочая поверхность излучателя должна быть плоской в пределах нескольких тысячных долей миллиметра, чтобы при работе диода сохранялся нужный зазор между электродами. При механической обработке плоскости излучателей возникли значительные трудности, связанные с необходимостью выдерживать заданные в чертежах допуски на плоскостность. В одном случае при окончательной механической обработке с края плоскости излучателя не был полностью удален заусенец, который при контроле детали обнаружить не удалось. При последующей работе термическое расширение диода привело к тому, что заусенец отошел от плоскости и создал короткое замыкание между излучателем и коллектором. При отдельном изготовлении излучателя и втулки можно в значительной степени устранять подобные недостатки механической обработки. При последующей сварке этих деталей друг с другом не всегда удается сохранять необходимый зазор между ними.

Чтобы обойти упоминавшиеся трудности со сваркой и механической обработкой, в одном случае для изготовления узла излучатель — втулка был опробован метод раскатки роликом. Заготовка имела вид полого, сравнительно толстостенного стакана (толщина стенки 0,3 мм). Стакан подвергали раскатке роликом на оправке до толщины стенки 0,127 мм. Как оказалось, раскатанные втулки весьма склонны давать в процессе работы преобразователя утечки на противоположном излучателю конце втулки, т. е. в области, где металл при раскатке подвергается наибольшей деформации. Микрофотография разреза по месту утечки воспроизводится на фиг. 1.2. Небольшие дефекты, заметные на этой фотографии, были закатаны на последних стадиях раскатки, однако они открылись после нескольких термических циклов в процессе испытаний. Из-за обусловленной этим утечки цезия испытание на долговечность преобразователя пришлось прекратить.

В разработанных диодах в целях соединения различных компонентов широко пользовались вакуумной индукционной пайкой. При пайке возникли многочисленные трудности, связанные со способностью различных тугоплавких металлов подвергаться пайке. В некоторых случаях выбор материала диктовался в первую очередь именно паяемостью. Ниже говорится о некоторых возникших при пайке конкретных затруднениях.

Изолятор из окиси алюминия (фиг. 1.1) припаивали к опорным втулкам из ниобия (или ковара). В некоторых случаях изолятор из окиси алюминия сначала подвергали металлизации молибденом и титаном, а затем обжигали в атмосфере водорода при 1500° С и подвергали пайке никелевой бронзой. В других случаях изолятор из окиси алюминия без покрытия припаивали непосредственно к ниобию сплавом циркония с никелем в качестве присадочного металла. He всегда удавалось получать герметичные швы между металлом и керамикой, в связи с чем приходилось проводить вторичную пайку мест утечки с более высоким нагревом. В этих случаях иногда наблюдалось интенсивное межкристаллитное проникновение присадочного металла в ниобий, о чем можно судить по верхней микрофотографии на фиг. 1.3. Как показал рентгенографический анализ, по границам зерен ниобия имеется до 25 % никеля и до 6 % меди. В этих зонах ниобий подвергся значительному охрупчиванию. Трудности с обеспечением качественности соединения металла с керамикой выражаются также в заметном различии микроструктуры паяных соединений двух диодов, как показано на нижних снимках на фиг. 1.3. Такие зоны паяных соединений подвергли испытанию на микротвердость по Кнупу с нагрузкой на алмазную пирамиду от 15 до 100 г. Самые твердые фазы с твердостью по Кнупу 500, 600 и 1600 единиц показаны на фиг. 1.3. Рентгенографические исследования фазы с твердостью по Кнупу 1600 единиц в зоне пайки образца, приведенного на нижней микрофотографии, показали, что он содержит 35% никеля, 6% меди и 4% молибдена (остальное ниобий). Это свидетельствует о том, что присадочный металл находился в расплавленном состоянии излишне долго, из-за чего растворилось слишком много ниобия. Высокая твердость этой зоны обусловлена, по-видимому, образованием интерметаллических соединений.

Другой комбинацией тугоплавких металлов, при пайке которых также возникли трудности, была пара тантал — молибден. Хотя эти металлы были чрезвычайно пористыми, пайка в вакууме при 1770° С цирконием в качестве присадочного металла не позволила получить качественные соединения. Никель не годится в данном случае в качестве присадочного металла из-за интенсивного легирования молибдена и охрупчивания последнего. Присадочный металл на основе никеля, содержащий 19% хрома и 10% кремния, вызывал охрупчивание тантала.

Эксплуатационные качества тугоплавких металлов


Эксплуатационные качества металлокерамических уплотнений не вызывали серьезных проблем, хотя металлографические исследования и результаты испытаний на микротвердость свидетельствовали о значительном изменении твердости и микроструктуры. He удалось обнаружить и следов коррозии окиси алюминия под воздействием цезия. Однако надо отметить, что максимальная рабочая температура уплотнений ограничена (около 750° С) и что общая длительность испытаний отдельных узлов была сравнительно мала.

Как уже отмечалось, тонкая танталовая втулка между эмиттером и металлокерамическим уплотнением была, естественно, слабым местом в этих диодах. В зоне втулки, где рабочая температура достигала 1000 С, часто наблюдалось охрупчивание и межзеренное растрескивание. По-видимому, данная зона загрязнялась остаточными примесями в вакууме, несмотря на то что разрежение было не хуже 10в-5 мм pm. ст. В случаях сильного загрязнения зона охрупчивания проявляла тенденцию к корродированию под воздействием цезия и образованию утечек.

Описанные трудности возникали после сравнительно кратковременной работы. В последних диодах со сроком службы не меньше 2000 час было обнаружено новое слабое место — прогрессирующее разрушение танталовых эмиттеров. Зерна разрастались до весьма больших размеров (3,8 мм) и изменяли свою форму. Более того, иногда границы зерен раскрывались, причем трещины проникали на глубину до 1 мм (фиг. 1.4). В нескольких случаях наблюдалось шелушение нагретой поверхности эмиттера. Нет сомнений в том, что для достижения срока службы не менее 10 000 час необходимо разработать новые материалы в целях изготовления более доброкачественных излучателей. До сих пор нами рассматривался диод только одной конструкции, изображенной на фиг. 1.1. Когда этот диод не нагрет, эмиттер и коллектор находятся в контакте) т. е. замкнуты накоротко. При нагреве их неодинаковое расширение создает зазор между эмиттером и коллектором, после чего диод начинает функционировать как преобразователь. Зазор между электродами в такой системе зависит от рабочей температуры узла, состоящего из эмиттера, втулки и коллектора. Было бы целесообразно сохранять величину зазора постоянной, сделав ее не зависящей от рабочей температуры. В одной экспериментальной конструкции величину зазора между электродами обеспечивали путем установки прокладки из окиси алюминия на коллектор непосредственно напротив сопряженного вольфрамового кольца на танталовом излучателе. Этот диод после кратковременного испытания замкнулся. После его разборки было установлено, что произошло восстановление некоторого количества окиси алюминия, так что в межэлектродном пространстве образовались небольшие капли алюминия, что и привело к короткому замыканию. Реакции взаимодействия между окисью алюминия и танталом наблюдались в вакууме при температурах выше 1600° С даже тогда, когда оба материала не соприкасались друг с другом. Эксперименты с данными материалами, находящимися в контакте друг с другом, показали, что между окисью алюминия и танталом или молибденом может происходить взаимодействие при температурах выше 1300° С (частное сообщение Иенсена). Возможно, что присутствие цезия (или определенных примесных элементов) может способствовать повышению скорости этих реакций, снижая температуру начала подобного взаимодействия.

Заключение


Большие возможности термоэлектронных преобразователей с точки зрения их использования в космических летательных аппаратах доказаны на разработанных к настоящему времени экспериментальных диодах. Из-за конструкционных ограничений и тяжелых условий работы разработка таких диодов поставила ряд проблем, связанных с материалами. Некоторые из них обусловлены такими сравнительно легко устраняемыми недостатками, как недостаточная очистка межэлектродного пространства при испытаниях. Тем не менее для надежного обеспечения длительного срока службы термоэлектронных преобразователей требуется значительное усовершенствование технологии производства и повышение качества тугоплавких материалов.




Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна