行波管故障现象分析及可靠性提升研究

祝颂东，孙宇楠，梁 田

(1.陆装驻南京地区第一军事代表室，江苏 南京 210024；2.南京三乐集团有限公司，江苏 南京 211800)

行波管(Travelling Wave Tube，TWT)作为装备的重要器件，具有宽频带、高效率、高增益、大功率等特点，广泛应用于军用雷达、通信、卫星载荷及探测等领域，发挥着不可替代的作用[1-2]，其可靠性亦对装备可靠性具有重要的影响[3]。

行波管结构复杂、零部件数量多、制造工艺复杂、所用材料类型繁多且工作环境条件特殊，其工作原理和设计制造牵涉到物理电子、材料科学、结构力学、真空科学等多学科理论的交叉。行波管制造涉及的工艺[4]包括精密加工技术(激光加工、电火花加工等)、表面处理技术(清洗、电镀、磁控溅射覆膜、喷砂、电子束覆膜、高温除气)、焊接技术(钎焊、熔焊、扩散焊)、精密装配与测量技术、超高真空获得与维持技术及长寿命阴极技术等；涉及的材料类型包括阴极、热子材料、焊料、磁性材料、功能材料、难熔金属及其合金、有色金属及其合金、陶瓷材料及一些特殊的工艺气体等，据不完全统计含元素周期表中70 余种元素；行波管工作时，部分材料长期工作在高温下，需要良好的高温物理性能和力学性能，对材料的疲劳特性、强韧特性有很高的要求；同时一些材料工作在真空环境中，电子发射及其与材料的互作用会受到真空气氛的影响，对产品的致密性、焊接性能及放气特性有特殊要求。此外，大部分工艺过程为特殊工序，加工结果难以通过常规检验或试验而充分验证，往往只能到产品环境验证阶段才暴露出问题。总的来说，行波管可靠性问题是一个复杂的系统工程。

在行波管可靠性技术方面，国外相关工作开展的较早。如美国在20 世纪80 年代就建立了全寿命周期的行波管可靠性数据库，降低了装备系统中行波管的成本；日本也在90 年代就行波管可靠性评估试验和可靠性保证方案等开展了研究[5]。相关工作有效保障了其TWT 产品的可靠性。根据SSL 公司和波音公司的在轨微波功率放大器数据，相比固态功率放大器(SSPA)，行波管放大器(TWTA)不仅具有更高的功率和频率，且具有更好的可靠性[6-7]，且通过不断地改进工艺，TWT 的失效率仍在不断降低[8]。此外，与基于MIL-HDB 217F 标准的可靠性估计结果相比，在轨行波管的可靠性评估结果显著高于前者[8]。

近年来，国内相关厂所也开展了行波管可靠性研究，如通过改进电子源性能、强化过程控制、优化结构设计[9]，改进制备过程中的具体工艺[10-11]，或基于失效机理分析给出改进措施[12-13]，来提升行波管可靠性；基于对行波管热学和力学特性的仿真，开展热可靠性和结构抗振可靠性的分析与设计[14-15]等。相关工作促进了国产行波管可靠性的持续提升，取得了显著效果。但国产行波管可靠性与国际先进水平相比，仍有明显的差距。

本文通过分析行波管典型故障现象，从中提炼出共性问题，建立行波管故障库，最后从材料选用、工艺提升及过程控制等方面提出了针对性的方法，实现了行波管的可靠性增长。

1 行波管常见故障现象分析

和其他电子元器件类似，行波管出现的失效模式与材料选用、工艺技术及过程控制息息相关，而且呈现出相当程度的复杂性。经统计并归类总结，引起行波管不能工作的典型单点故障现象如图1 所示，主要包括开路、短路、漏气、收集极故障及功率下降几种。下面对这些故障现象逐一进行阐述和分析。

图1 行波管常见故障现象

1.1 开路

行波管中主要的开路问题包括热子开路和外部导线开路。

其中热子开路主要体现为热丝在经过数千次通断后，在一些特殊用途中故障率大幅上升。究其原因，主要是传统行波管使用的钨丝塑性和韧性较差，在绕制、高温定型等工艺过程中及长期受热-力作用的情况下可能出现断裂、脆断等现象。

外部导线开路体现为行波管在环境试验中受力、热等应力作用时，外部导线引出的焊接部位的导线线芯出现割断或虚焊现象。该现象虽不多见，但一旦出现便是批次性问题，且该故障往往会造成较为严重的后果，因此必须特别重视和关注。该故障的成因主要取决于将导线焊接在电子枪封接环上时采用的软钎焊或点焊工艺。

1.2 短路

短路问题主要体现为热子短路和钛泵短路。据统计，热子短路是产品生产过程中常见的故障之一，属于早期故障模式。失效件如图2 所示，热子表面电泳的氧化铝层挥发，其接触的氧化铝灌注体处明显发黑，这是因为氧化铝与钨丝在高温下(1 500 ℃以上)发生化学作用生成了Al 和WO2，发黑导致局部短路，造成热子温度继续升高，反应速率大幅上升，最终导致热子完全短路。钛泵(二极型微型溅射离子泵)短路现象出现概率相对较少，主要出现在有振动要求的产品上，体现为方框形阳极结构变形造成短路。

图2 热子短路失效件

1.3 漏气

行波管是由多种金属和非金属材料通过焊接连接成的结构非常复杂的构件，出现漏气现象就会丧失工作能力，气密性要求漏率≤1×10-11Pa·m3/s。引起漏气的因素很多，可能是材料质量问题，可能是结构设计不当，也有可能是焊接工艺参数选取不合理，甚至是零件镀层质量问题等。焊接方法有钎焊、熔焊(激光焊、氩弧焊、电子束焊)、冷压焊及扩散焊。以某型行波管为例，其焊缝达上百处，有时即使焊接后检漏结果显示气密，但在排气烘烤后以及各类环境试验后仍出现漏气。这里重点讨论钎焊过程中由于工艺、材料缺陷造成的漏气。

某型行波管的枪壳采用叠封结构，即多层平封结构(铜焊)，在排气烘烤后出现漏气。为了准确定位漏气原因，将失效件制备金相试样进行金相显微观察，发现焊料层存在较大的孔洞，如图3 所示。

图3 焊料层存在明显的孔洞

因此可以判断造成漏气的原因是焊料层存在贯穿性孔洞。复查工艺过程发现焊接后不锈钢材质的螺钉已松动。分析认为，钎焊过程中不锈钢自身膨胀量较大，引起螺钉对部件的紧固力不足，导致焊缝间隙过大，焊料无法充分填满焊缝而形成气孔缺陷。

某型行波管复合管壳中的连接环采用弥散无氧铜，管壳钎焊后存在漏气现象，显微观察和成分分析的结果如图4 所示。由图4(a)可见，连接环有明显变形现象；由图(4b)的扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析可见，管壳漏气部位焊料中的银元素大量渗透入连接环内部；由图4(c)的金相分析结果可见，弥散无氧铜中存在聚集性孔隙。综上可见，由于弥散无氧铜材料致密性差，焊料中的银元素明显渗透至材料内部，造成连接环变形及管壳漏气。

图4 弥散无氧铜连接环钎焊后

1.4 收集极质量问题

收集极的制造方法主要包括钎焊、磁挤压、热挤压等，其中钎焊型收集极散热能力最强、电极结构最稳定，但一直以来受限于分析检测手段，无法实现焊接质量的无损检测，难以发现焊接隐患，造成产品后期应用过程中失效率较大，对产品可靠性造成了极大的影响。

1.5 功率下降

引起功率下降的因素较多，如使用过程中未按照规定对产品进行通风或通水散热，引起局部过热，导致启动温度控保，这属于外部使用因素。本文主要聚焦行波管的内部因素，包括阴极发射电流下降、高频装配质量差引起的铜膜蒸发，以及衰减器的匹配性能差等。

通过解剖功率下降的多只行波管及失效原因，发现导致阴极发射电流下跌的主要因素如图5(a)-5(c)所示。包括:5(a)钨铜基体化学去铜后残留杂质；5(b)阴极浸渍时铝酸盐填充不充分；5(c)车加工导致阴极表面堵孔。分析认为，浸渍前钨基体存在轻微氧化是导致浸渍不充分的原因，而刀具磨损及恒转速加工是导致阴极表面堵孔的因素。

图5 导致阴极发射电流下降的因素

高频输出段由管壳、夹持杆和镀铜螺旋线组成，如图6(a)所示，只有三者之间实现紧密接触，才能将管内的热量导出；而如图6(b)所示，输出端靠近收集极的部分是螺旋线温度最高的部分。输出段的常规装配方法是在冷态下楔入钼制紧固片固定螺旋线和夹持杆，属于手工操作，过程的不可控会导致各部位的紧固程度不一而造成螺旋线容易局部过热，待温度累积并超过一定限度后，螺旋线表面铜膜在高温下熔融呈颗粒状并蒸发至夹持杆表面。如图7(a)和7(b)所示，最终导致行波管功率下降直至无法工作。

图6 行波管高频输出段热仿真

图7 行波管高频输出段局部过热结果

螺旋线行波管夹持杆表面的碳膜衰减器是抑制振荡、保障行波管稳定工作的关键部件。行业内常用万用表测量衰减量及其分布(即阻值的渐变情况，如图8(b)所示)。这种测试方法测量结果并不是真正意义上的衰减分布，不能剔除有缺陷的衰减器，在相当长的一段时间内，导致经常出现管子振荡造成产品功率下降的问题。此外，该方法测量效率也非常低，除与管壳接触的面不需要测试，其余三个面均进行数十个点的测试，占用了大量的工时。

图8 夹持杆上的碳膜厚度分布和衰减量分布示意图

2 行波管可靠性提升研究

根据对行波管出现的不同故障现象的分析，从材料结构设计改进、工艺方法改进以及加强过程控制等多个角度出发，采取有针对性的措施，实现行波管可靠性持续增长的目的。

2.1 材料结构设计改进

在材料改进方面，针对行波管热子开路问题，采用钨铼合金丝(牌号:WAL-20Re)替代传统的钨丝，由于铼的加入，提升了材料的再结晶温度，改善了合金丝的加工性能和延展性，因而经过50 000 次甚至数十万次通断试验仍保持良好的性能，彻底解决了热子开路的问题；此外，随着铜合金冶炼及热处理技术的进步，弥散无氧铜的致密性大幅提高，现已彻底解决了弥散无氧铜焊接后漏气的问题。其余材料如钼材可采用高强细晶钼材，纯铁可采用纯度更高的型号(DT9)等，可有效改善相关问题。

针对钛泵在振动条件下的短路问题，更改阳极结构设计，采用不锈钢圆筒结构型替代原来的矩形方框结构，如图9 所示。阳极的固定方式由原来的点固定改为线固定，焊接方式由手工电阻点焊全部改为激光点焊。这样通过对结构和工艺的优化，避免了振动过程中矩形方框变形以及手工点焊质量差带来的阴阳极短路问题。

图9 改进前的钛泵阳极结构(左)和改进后的结构(右)

2.2 工艺改进

2.2.1 焊接工艺改进

针对外部导线开路问题，通过改进焊接工艺和固定方式来解决问题。如图10 所示，通过严格控制点焊焊点质量(图(a))，规范软钎焊过程中高压导线剥线、搪锡(图(b))，固定、焊接、固定(图(c))各个环节，并选用高温锡银焊料[11]，能够提高行波管高压导线抗应力损伤等环境试验的能力，从而降低高压引线失效的风险、提高其可靠性。

图10 外部导线固定工艺的改进

针对枪壳漏气问题，通过将不锈钢螺钉改为钼制或可伐这些低膨胀系数的螺钉，利用螺钉与焊件材料之间的膨胀系数差，使得高温时焊缝处仍然保持有足够的紧固力，实现了焊料浸润并充分填充焊缝的目的，改进后部件未出现类似漏气问题。

2.2.2 高频结构装配方法改进

针对高频输出段装配质量差导致的行波管输出功率下降，采用热膨胀夹持的方法改进了装配工艺，即对管壳进行高频加热使其膨胀，然后将夹持杆和螺旋线组合推入管壳，待管壳冷却后即可实现完全的紧固，经测试热推后阻值满足装管要求，目前该过程已经实现了自动控制，避免了人为因素影响。

2.2.3 阴极制造工艺改进

针对阴极钨铜基体化学去铜后残留杂质的问题，采用真空物理去铜工艺[10]对基体去铜处理达到彻底去铜目的。通过加热钨铜基体使铜熔化，并利用真空环境使铜迅速蒸发进而冷凝收集。如图11 所示为真空物理去铜前后的照片，可见去铜后的基体颜色有明显变化。针对浸渍铝酸盐时填充不充分的问题，将钨基体再次置于氢炉中还原，这样处理后浸渍后破坏性抽检的阴极断面如图12(a)所示，可见填充情况较好。针对阴极表面堵孔问题，通过优化刀具，采用氮化硼涂层刀具并采用恒线速度加工，较好地解决了该问题。工艺改进后的阴极表面如图12(b)所示，可见已基本无堵孔。针对热子短路问题，将M 型覆膜钡钨阴极激活温度降为1 200 ℃，这样热子最高温度不超过阴极温度以上200 ℃即1 400 ℃[16]，杜绝了热子由于温度过高导致短路的隐患。

图11 阴极基体真空物理去铜前(左)后(右)的照片

图12 阴极制备工艺改进后

2.3 加强过程控制

过程控制是保障产品成品率和可靠性的重要手段，除了加强工艺过程中的检测次数之外，增强工艺过程中的质量检测能力是实施过程控制的关键。下面重点介绍针对收集极的无损检测方法及碳膜衰减自动测试技术。

2.3.1 收集极的无损检测方法

针对收集极焊接质量难于监测的问题，本文介绍了一种基于工业CT 的无损检测方法，即对收集极进行微焦点工业CT 断层扫描，采用算法重构建模软件生成3D 模型，使用专业数据处理软件截取焊缝位置图片，最后采用金相分析软件计算出焊缝内焊料润湿铺展区与总焊接面的比值，即为焊缝钎着率。图13 所示，为一钎焊型收集极样品的检测结果，检出其钎着率为90.89%。为进一步验证检测的准确性，解剖收集极后观察焊接处粘瓷状况，并与工业CT 分析结果图对比，如图14 所示，可见钎着率的CT 分析结果与有损检测结果吻合。

图13 钎焊型收集极样品工业CT 分析结果

图14 工业CT 分析结果(上)与实物解剖结果(下)对比

目前该无损检测方法已批量应用于某型行波管的科研及生产过程中，整管经历排气烘烤和温度循环等试验，未发现行波管因收集极焊接质量不当而产生的故障问题，可见工业CT 这一检测方法对实现质量控制起到了极为关键的作用。

2.3.2 衰减器测试技术

为实现夹持杆衰减器衰减分布的检测，我们采用矩形波导模拟行波管内的电场模式，用反射损耗S11来衡量衰减特性。在波导的宽边的正中(波导正中的电场最强)开一个小孔来引入夹持杆，将矩形波导设计为高度渐变的扁波导，选择合适的步进电机步进值以达到要求的测量分辨率。采用该种方法后，可精确比较同一批夹持杆表面衰减器的衰减曲线，如图15 所示，及时剔除衰减分布曲线异常的夹持杆，确保行波管工作的稳定性。

图15 衰减器衰减曲线自动测试结果

通过采用上述针对性的解决措施，所制造行波管的平均良品率从2010 年的30%～50%提升到目前的70%～85%，部分产品的良品率可以达到95%以上。

3 结论

本文总结了以往制约行波管可靠性的典型故障现象，通过采用一系列失效分析手段定位了失效原因，并采用材料设计优化、工艺改进及过程控制改进等可靠性增长技术，给出了有针对性的解决措施，包括:通过选择性能更优的材料解决了热子开路、管壳封接处漏气等问题；通过修改阳极结构和工艺设计避免了钛泵振动后短路的问题；通过改进焊接、高频结构装配、阴极制造等工艺，解决了外部导线开路问题、高频输出段装配质量差及阴极发射电流下降导致的行波管功率下降以及热子短路问题；利用工业CT 无损检测技术和碳膜衰减分布自动测试技术提升了过程控制能力，保障了钎焊型收集极的质量，有效降低了行波管由于衰减器质量问题导致的振荡和功率下降。实践表明，上述措施使得行波管产品的一致性和可靠性得到了显著的提升，行波管的平均良品率10 年间提升了约2 倍，验证了所述典型失效模式的正确性和可靠性增长技术的有效性。