钨螺旋线电解抛光工艺研究

刘 洋，梁 田，成红霞，唐中华，李秀秀，岳贤宁

（南京三乐集团有限公司，江苏 南京 211800）

螺旋线型空间行波管的热特性是一项非常重要的指标，不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素，也是直接影响着空间行波管工作的稳定性与可靠性的主要因素。当空间行波管工作时，钨螺旋线由于高频损耗和聚焦特性不好的电子注轰击而受热，这部分热量由夹持杆传送到管壳，然后扩散出去［1］。在慢波结构散热过程中，螺旋线与夹持杆处的传热速率对螺旋线上热量的散出起到了重要的作用。

式中，φ为传热速率，A为传热面积，λ为导热系数，dν/dσ为温度梯度。

从公式（1）看出，传导的热量与温度梯度、传热面积成正比，其他因素不变，传热面积增大，传热速率也随之提高。

当高频微波通过螺旋线时，由于受到趋肤效应的影响，可认为微波只在螺旋线表面很薄的一层中传输，若螺旋线表面凹凸不平，就会使微波在螺旋线上的传输距离变长，增加高频损耗。

因此，本文对钨螺旋线表面的电解抛光工艺进行了研究，电解抛光是近几十年发展起来的表面处理技术，目的是为了改善金属表面的微观几何形状，降低金属表面的显微粗糙程度。目前，电解抛光技术已经被逐步应用到了电真空行业中，与机械抛光相比，电解抛光可大大减小工件内部和表面的应力，适用于任何硬度的金属和合金［2］，它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑，其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。它具有其它表面精加工技术无法比拟的高效率、高难度、高精度、速度快等优点［3］。

1 实验

1.1 实验试剂与仪器

磷酸三钠（AR），氢氧化钠（AR），丙三醇（AR）。电子天平（岛津AUW320），扫描电镜（SIGMA 500），袖珍式粗糙度测定仪（TR110型）。

1.2 性能测试方法

1.2.1 粗糙度

采用TR110型袖珍式粗糙度测定仪测量钨螺旋线表面粗糙度，要求钨螺旋线表面粗糙度（Ra）优于0.2μm。

1.2.2 微观形貌

采用扫描电镜在2000倍下对抛光前后的螺旋线表面状态进行对比分析，要求抛光后的钨螺旋线表面不允许有毛刺和划痕。

2 结果与讨论

2.1 电解抛光溶液配方及工艺参数

基础配方及工艺参数为：磷酸三钠60～140g/L，氢氧化钠4～12 g/L，丙三醇5～25mL/L，抛光电压3～11V，溶液温度30～70℃，抛光时间10～50s。

2.1.1 磷酸三钠的影响

磷酸三钠作为缓蚀剂和辅助成膜剂，在溶液中起着至关重要的作用。其他成分和工艺条件保持不变，改变磷酸三钠浓度，试验结果见表1。

表1 磷酸三钠的影响

从表1中可看出，磷酸三钠的浓度低于80g/L时，溶液起不到抛光作用，大于140 g/L时，钨螺旋线表面过腐蚀。因此，磷酸三钠的最佳含量在100～120g/L。

2.1.2 氢氧化钠的影响

氢氧化钠的作用是为溶液提供一个碱性环境，以保证钨螺旋线的正常溶解。其他成分和工艺条件保持不变，改变氢氧化钠的浓度，试验结果见表2。

表2 氢氧化钠的影响

从表2中可看出，氢氧化钠的浓度低于4g/L时，钨螺旋线在溶液中钝化，大于10g/L时，钨螺旋线表面的腐蚀速度加剧。因此氢氧化钠的最佳含量为6～8 g/L。

2.1.3 丙三醇的影响

丙三醇作为成膜剂，在电解抛光过程中可以再钨螺旋线表面形成黏膜，以保证抛光效果。其他成分和工艺条件保持不变，改变丙三醇的浓度，试验结果见表3。

表3 丙三醇的影响

从表3中可看出，丙三醇的体积分数低于5 mL/L时，螺旋线表面无光泽，大于20 mL/L时，螺旋线表面反应速度慢。因此丙三醇的最佳体积分数为10～15mL/L。

2.1.4 抛光电压的影响

溶液成分和其他工艺条件保持不变，改变电压值，试验结果见表4。

表4 抛光电压的影响

从表4中可看出，抛光电压低于5V时，反应速度慢，螺旋线表面无光泽，大于11 V时，反应速度快，螺旋线表面过腐蚀。因此抛光电压的最佳范围为7～9V。

2.1.5 溶液温度的影响

溶液成分和其他工艺条件保持不变，改变溶液温度，试验结果见表5。

表5 温度的影响

从表5中可看出，温度低40℃时，螺旋线表面无光泽，大于70℃时，反应速度快，螺旋线表面过腐蚀。因此温度的最佳范围为50～60℃。

2.1.6 抛光时间的影响

在溶液成分及其他工艺条件都确定的情况下，改变抛光时间，试验结果见表6。

表6 不同抛光时间下钨螺旋线表面状况

从表6可看出，抛光时间低于20 s时，钨螺旋线表面无光泽，大于50 s时，对钨螺旋线的腐蚀量较大。因此抛光时间的最佳范围为30～40s。

2.2 粗糙度测试

取5只钨螺旋线试样，经电解抛光后采用TR110型袖珍式粗糙度测定仪测量钨螺旋线表面粗糙度，试验结果见表7。

表7 钨螺旋线电解抛光前后表面粗糙度对比

从表7可看出，5只螺旋线样品的表面粗糙度均优于0.1μm，满足指标规定的表面粗糙度优于0.2μm的要求。

2.3 微观形貌

微观形貌如图2所示。

图2 抛光前后的钨螺旋线的微观表面状态（2000×）

3 结语

钨螺旋线最佳配方及工艺参数为磷酸三钠100～120g/L，氢氧化钠 6～8 g/L，丙三醇 10～15 mL/L，抛光电压7～9V，溶液温度50～60℃，抛光时间30～40s；电解抛光尺寸消耗小于2μm；粗糙度优于0.1μm。该工艺可完全满足螺旋线型空间行波管的使用要求。