Работа выхода электрона сплавов тугоплавких металлов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

5. Максимов Ю.В. Обеспечение качества и производительности обработки нежестких валов применением технологических систем с дополнительными контурами связи. Дисс. ... д.т.н.,- М., МГТУ «МАМИ», 2000.

Работа выхода электрона сплавов тугоплавких металлов

д.т.н., проф. Арзамасов В. Б., к.т.н., доц. Смирнова Э. Е., Строев А. А.,

Полунов И. Л., Рыков Д.Е.

МГТУ «МАМИ»

Сплавы на основе тугоплавких металлов широко применяются для изготовления высокотемпературных электродов различного назначения [1]. Одной из важнейших характеристик, определяющих работоспособность электродов, является работа выхода электрона. Однако до сих пор в литературе практически отсутствуют систематические данные по влиянию состава сплава на эту характеристику. В настоящей работе исследовали влияние легирования вольфрама переходными металлами IV А - VI А групп на эффективную работу выхода электрона.

Сплавы были получены методом вакуумно-дуговой плавки с нерасходуемым электродом. Порошки металлов в определенных пропорциях тщательно перемешивались и прессовались на таблетки массой порядка 30 граммов, затем расплавлялись в лунках на медном во-доохлаждаемом поду. Из поученных лепешек изготовляли полированные образцы диаметром 10 мм и толщиной 2 мм. Состав полученных сплавов приведен в таблице.

Таблица 1.

Состав сплавов на основе вольфрама по данным химического анализа.

Содеркание хетирующих злементов (%по массе) в системе W-л.э.

Мо Т1 2г И Та

0,099 0,202 0,043 0,114 о,и 0,09

0,191 0,585 0,191 0,218 0,51 0,47

0,936 2,37 0,805 0,609 1,17 2,98

5,387 1,12

16,4

Содержание примесей составляло (% по массе): 0<0,002; И<0,0003; N<0,003; С<0,006. Измерения работы выхода проводили в вакууме 10-3 Па на установке, схема которой приведена в работе [2].

Образцы с помощью подогревателя разогревали до температур 1500-2800°С. Температуру образцов измеряли оптическим пирометром ЭОП-66 с пределами измерений 800-10000°С, систематической погрешностью 2-4°С и средним квадратичным отклонением 2-6°С. Работу выхода электрона определяли методом полного тока [3] из уравнения:

р =

5040

2,025 -

I

5Т 2

(1)

где: ф - эффективная работа выхода электрона, эВ; Т - температура эмиттера, °С; I - ток насыщения, А; 5 - площадь параметрического коллектора, см . Значения ф, вычисленные по уравнению (1), несколько выше истинных. Среднюю квадратичную ошибку определения работы выхода электрона методом полного тока рассчитываем по формуле:

Н2 -

V Т

^ е 2520

АТ

■Т^е. -А11

V50401

2

V

Т ^ е 5040 5

(2)

2

2

Для нашего прибора погрешность измерений составила порядка 0,1 эВ и была обусловлена в основном погрешностью измерения температуры.

На рис. 1 изображены концентрационные зависимости работы выхода электрона исследуемых сплавов при различных температурах.

Анализ полученных значений ф при 1500 "С (рис 1,а) показал, что несмотря на изменения этой характеристики в зависимости от легирования в пределах погрешности измерения (0,1 эВ), в целом наблюдается уменьшение значений работы выхода электрона вольфрама при образовании более легированных твердых растворов. Увеличение температуры испытания до 2400 "С сделали эту зависимость нагляднее (рис 1,б), поэтому правомочно сделать вывод, что при температурах 1500 и 2400 "С наблюдается практически монотонное уменьшение работы выхода электрона чистого вольфрама при добавлении в него переходных металлов IV А - VI А групп. Это согласуется с данными работы [3] о том, что работа выхода электрона твердых растворов, определяющая силу связи электрона с металлом, имеет линейную зависимость при изменении концентрации растворенного компонента.

а ДО

н,ч

¿? ЬЬ и.

Тисп=1вОО'С К. Хи СП =30 мин V4

• Тисп=2Ш'С ^ . Тисп =30 Мин

0,01 0,05 0,1 0,3 1,0 5,0 10 Содержание легирующих элементов, % по млссе.

Рис. 1. Влияние легирующих элементов на работу выхода электрона вольфрама:

Таким образом, молибден, тантал, ниобий, титан, цирконий и гафний, имеющие по данным [4], значения работы выхода электрона 4,30; 4,12; 3,99; 3,95; 3,90 и 3,53 эВ соответственно, при образовании твердых растворов с вольфрамом практически аддитивно понизили его работу выхода, равную 4,54 эВ.

Рис. 2. Влияние времени выдержки на эффективную работу выхода электрона сплава W-Zr.

5 ю го зо е о зо но «о т Ьоемо 4н-1) ермки при температуре испытания,мин.

Рис. 3. Зависимости работы выхода электронов активированного сплава W-0,114% Zr от времени выдержки при различных температурах и толщины образцов (А).

Ни в одном случае не было зафиксировано значений работы выхода электронов, меньших чем у чистых легирующих компонентов, хотя при 2400 "С сплавы вольфрама с титаном (0,805 %), цирконием (1,12%) и гафнием (1,17 %) и показали значения ф намного меньше, чем для чистого вольфрама (А ф = 0,39 - 0,47 эВ).

Различия в степени воздействия легирующих металлов на работу выхода электрона вольфрама связан с их неодинаковой диффузионной подвижностью, а следовательно, с кинетикой всего процесса в целом.

Движущей силой диффузии является градиент концентрации легирующих элементов между поверхностными слоями образца и его сердцевиной, вызванной десорбцией более легкоплавкого компонента с поверхности вольфрама. При относительно невысоких температурах, в нашем случае 1500 "С, скорости десорбции и диффузии легирующих атомов относительно невелики и сплавы ведут себя как твердые растворы. Увеличение температуры и времени выдержки в ряде случаев приводит к образованию слоя (монослоя) атомов легирующего компонента на поверхности вольфрама и снижению значений работы выхода электрона (рис. 2).

Как видно из полученных кривых, увеличение времени выдержки от 30 до 60 мин при температуре испытания 2400 "С приводит к повышению значений работы выхода электрона при относительно больших (0,609 и 1,14 %) концентрациях циркония в вольфраме. При концентрациях 0,114 и 0,218 % Zr происходит интенсивная десорбция циркония с поверхности образца, обедняется этим компонентом и работа выхода соответствует ее значениям практически для чистого вольфрама.

На рис. 3 представлены результаты влияния времени выдержки при различных температурах образцов из сплава W-0,114 % Zr; подвергнутых предварительной активации при 2800 "С в течение 3 мин.

Кратковременный нагрев до 2800 "С (активация) приводит к интенсификации процессов адсорбции циркония на поверхности образца из его внутренних объемов и при снижении температуры значения работы выхода электрона меньше не только ее значений для вольфрама, но и для циркония, что указывает на образование металлопленочной системы. При относительно небольших температурах (1500 "С) эта пленка циркония устойчива и обеспечивает стабильные значения работы выхода электрона в течение определенного времени, зависящего в том числе и от толщины образца, т. е. от запасов циркония в нем. Чем выше температура испытания, тем быстрее испаряется полученный слой, запасы циркония уменьшаются, и работа выхода практически становится такой же, что и у вольфрама.

Выводы

Таким образом, проведенные исследования позволили установить некоторые общие закономерности влияния легирующих элементов IVA-VI A групп, их количества на величину работы выхода электрона вольфрама при различных температурах.

Литература

1. Арзамасов В.Б. Материалы для высокотемпературных электродов различного назначения. В справочнике по конструкционным материалам, изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2005, с. 551-554.

2. Арзамасов В. Б., Смирнова Э. Е., Полунов И. Л., Сроев А. А. Влияние легирования и структурного состояния на жаропрочность и термоэмиссию ниобия. Известия МГТУ «МАМИ», М., 2007, №2, с. 133-136.

3. Савицкий Е. М., Буров И.В., Пирогова С.В., Литвак Л.Н. Электрические и эмиссионные свойства сплавов. «Наука», М., 1973, 269 с. с ил.

4. Фоменко В.С. Справочник «Эмиссионные свойства материалов», «Наукова думка», Киев, 1981, 340 с. с ил.