本文采用掃描電鏡、X射線殘余應力分析儀、金相顯微鏡等工具分析了微波爐用磁控管碳化釷鎢陰極的斷裂失效機理，碳化后釷鎢陰極較粗大的晶粒與內應力是其斷裂的主要原因。

　　微波爐磁控管釷鎢陰極碳化后形成的層狀碳化層可以降低電子逸出功，延長陰極的使用壽命。但是，碳化釷鎢原子薄膜陰極的使用壽命與機械強度是相互矛盾的。W2C層越厚，其機械強度就越低，所以W2C層厚度應有合適的范圍。但為了滿足磁控管具備長期穩定的發射能力與足夠高的發射電流密度，碳化率一般控制在12%～28%范圍內。因此，陰極強度低、脆性大，導致磁控管陰極在生產、運輸過程中斷裂，高峰時會超過1%。由于磁控管屬于焊接結構件，一旦陰極斷裂，就會導致整個磁控管報廢，造成巨大的物料成本損耗。因此，磁控管制造企業需要研究釷鎢陰極斷裂失效機理，并根據生產實際情況制定降低陰極斷裂的有效措施。

1、斷口分析

　　螺旋型陰極斷口外表面掃描電鏡(SEM)如圖1所示。陰極外表面存在縱橫交錯的網狀裂紋，而人字形裂紋位于陰極的內表面，且有規則的排列。從斷口形貌來看，無明顯的塑性變形，表面存在羽毛狀的河流花樣。裂紋由表及里擴展，裂紋的寬度逐漸減小。陰極表面存在約40μm 厚的碳化層，且呈層狀分布。根據斷口形貌特征判斷，此陰極的斷裂類型屬于解理型穿晶斷裂。兩條裂紋交接的人字形裂紋最頂端存在應力集中而形成斷裂源，裂紋沿著人字形裂紋張開的方向逐漸擴展，直至陰極斷裂。

圖1　碳化釷鎢陰極斷口形貌

2、金相分析

　　螺旋型陰極碳化后各斷面的金相組織如圖2所示。從陰極中間向兩端，碳化層逐漸變薄，兩端第1圈甚至無碳化層。中間第5、6圈碳化層最厚，達40μm左右，碳化層厚度與其圈數的關系如圖3所示。在碳化層最厚的第5、6圈里，晶粒異常長大，平均晶粒度達220μm，而在陰極兩端第1、2圈，晶粒大小基本上沒什么變化，這種現象與碳化時各圈的溫度有緊密的關系。由于螺旋型陰極依靠自身通電加熱碳化，兩端溫度低，而中間溫度高。碳化時，第5、6圈陰極的溫度高達2100℃，遠高于釷鎢的再結晶溫度(約1350℃)，晶粒就迅速長大;而兩端陰極溫度約為1200℃，所以晶粒無明顯長大。

圖2　碳化釷鎢陰極各圈金相組織

圖3　陰極圈數與碳化層厚度關系曲線圖

3、應力分析

　　采用X射線殘余應力測試儀檢測經各工序處理后陰極各圈存在的應力狀況，如圖4所示。由圖可見，陰極碳化處理前，包括原材料、用氫還原以及高頻焊接后的陰極各圈的殘余應力大小基本一致，且均為壓應力;而碳化后的三個陰極各圈的殘余應力均為拉應力，且兩端第2圈陰極的殘余應力超過500MPa，明顯大于其它各圈陰極，最大差距達2.5倍。

圖4　各工序后釷鎢陰極的殘余應力

　　為了研究殘余應力產生原因，進一步研究了先碳化后高頻焊接后陰極應力的分布狀況，如圖5所示。可以看出，兩種實驗方案的殘余應力分布截然不同。正常工藝的先焊接后碳化的應力，兩端大，中間小;而先碳化后焊接的應力兩端小，中間較大，且兩端的應力遠低于正常碳化工藝的應力值。從此結果來看，兩端第2圈存在較大的殘余內應力，而此應力是產生陰極斷裂的主要原因。

圖5　先碳化后焊接釷鎢陰極的殘余應力

4、結論

　　碳化釷鎢陰極的斷裂類型屬于解理型穿晶斷裂;碳化后釷鎢陰極較粗大的晶粒與內應力是其斷裂的主要原因。因此，改進釷鎢陰極碳化工藝以細化晶粒與降低內應力是降低釷鎢陰極斷裂率的主要改善方向。