一種x射線管陽極靶的制備方法
【專利摘要】一種X射線管陽極靶的制備方法，該制備方法通過在等離子噴涂工藝中引入激光重熔工藝，并將金屬涂層以多次分層沉積的方式制作，確保了激光重熔的效果。一方面可以提高金屬涂層的密度，增加強(qiáng)度，另一方面有可以減少激光重熔帶來的應(yīng)力問題，從而克服了現(xiàn)有工藝中的缺點(diǎn)，使得X射線管陽極靶的質(zhì)量得到提升。
【專利說明】
一種X射線管陽極靶的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種X射線管陽極靶的制備方法，具體的說，是以一種難熔材料為基體，利用等離子噴涂法將用于軌跡的難熔金屬材料噴涂到基體上獲得薄的涂層，同時(shí)利用激光對噴涂獲得涂層進(jìn)行熔化和凝固，重復(fù)進(jìn)行噴涂和激光重熔燒結(jié)過程，制備以鎢或者鎢合金為軌跡、以難熔材料為基體的X射線陽極靶的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線管中，利用電子轟擊陽極靶靶面，產(chǎn)生X射線。X射線旋轉(zhuǎn)陽極靶，一般由發(fā)射X射線的軌跡層和軌跡層下面起支撐和散熱的難熔材料基體組成。軌跡層一般由鎢或者鎢錸合金(錸含量一般為5% -10% )組成，基體材料一般為鑰或者鑰合金，例如TZM合金、稀土氧化物強(qiáng)化鑰合金(ODS-Mo)或者碳化物強(qiáng)化鑰合金(Mo-TiC合金，MHC合金)。
[0003]對于X射線靶而言，鎢層密度要求大于96 %以上理論密度，同時(shí)為了降低靶面溫度，陽極靶高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)2000-10000rpm，為滿足高速旋時(shí)的動平衡要求，要求鎢層和基體的界面平整。
[0004]X射線旋轉(zhuǎn)靶的生產(chǎn)工藝有:粉末冶金法，化學(xué)氣相沉積法及等離子噴涂法。
[0005]其中，粉末冶金法是將鎢粉和鑰粉在模具中一同壓制、燒結(jié)，并經(jīng)鍛造工序，最后機(jī)械加工成所需形狀和尺寸。粉末冶金法，成本低廉，生產(chǎn)效率高。但隨著X射線靶尺寸不斷變大，因鎢鑰性質(zhì)的差異，導(dǎo)致工藝難度越來越大；而且鎢鑰粉末壓制導(dǎo)致的固有的界面不平整，對于靶的高速旋轉(zhuǎn)動平衡影響很大。
[0006]化學(xué)氣相沉積(CVD或PVD)法，制備的鎢和鎢合金層的密度接近100%理論密度，但化學(xué)沉積工藝中，鎢或者鎢合金的材料利用率低，導(dǎo)致這種工藝的成本非常昂貴，目前這種工藝一般用于以石墨為基體的旋轉(zhuǎn)陽極的制備。
[0007]常規(guī)等離子噴涂法，在真空或低壓條件下進(jìn)行噴涂的工藝也被用于旋轉(zhuǎn)陽極鎢和鎢合金軌跡的制備。常規(guī)的直流等離子噴涂工藝，很難獲得96%以上的理論密度，通常需要后續(xù)的高溫?zé)Y(jié)或者熱等靜壓的后續(xù)熱處理工序來進(jìn)一步提高鎢和鎢合金層的密度。雖然對常規(guī)的等離子噴涂進(jìn)行了大量的研究，但目前該工藝在X射線旋轉(zhuǎn)陽極的制備中并不常見。
[0008]Magendans et al.在U.S.4，534，993中，提出一種采用常規(guī)等離子噴涂的方法制備X射線陽極靶的方法，噴涂時(shí)的壓力為30-50Kpa，鑰基體溫度在1000-1600度。
[0009]US6132812專利，采用真空感應(yīng)等離子法，在鑰基體上噴涂鎢或者鎢合金的方法制備X射線靶，噴涂獲得的鎢層密度達(dá)到97.2%和97.8%的理論密度。該工藝的不足之處是，鎢層為粗大的柱狀晶組織，粗大的柱狀晶組織容易沿晶界產(chǎn)生裂紋。
[0010]Bamola 等在美國專利 US7, 601, 399 中指出 U.S.4，534，993 和 US6132812 的不足之處，針對其不足之處提出，采用兩個(gè)直流等離子槍進(jìn)行鎢的噴涂，一個(gè)等離子槍進(jìn)行鎢的噴涂，另外一個(gè)或多個(gè)等離子槍作為輔助熱源對鑰基體進(jìn)行加熱。該工藝還需要后續(xù)的熱等靜壓來進(jìn)一步提高鎢層密度。該工藝的缺點(diǎn)是，一方面，熱等靜壓工藝成本高昂，另一方面在1500度-1800度溫度下進(jìn)行熱等靜壓溫度，在該溫度下，鑰或鑰合金基體會發(fā)生再結(jié)晶，從而導(dǎo)致鑰合金基體強(qiáng)度降低。
[0011]如蔣顯亮指出(trans.Nonferrous Met.Soc.china, Vol.11, No6,),在鶴的等離子噴涂涂層中，孔徑為1-10微米的孔可以通過調(diào)整噴涂工藝使數(shù)量減少，而由于噴涂時(shí)氣體被卷入形成的尺寸小于I微米的孔是無法消除的。
[0012]激光選擇燒結(jié)(DMLS)和選區(qū)激光熔化(SLM)燒結(jié)法是一種快速成型方法，被成型的材料一般為粉末。金屬粉末在沉積前預(yù)先鋪展在沉積區(qū)域，其層厚一般為20?100 μ m，利用高亮度激光按照預(yù)先規(guī)劃的掃描路徑軌跡逐層熔化金屬粉末，直接燒結(jié)獲得成形出零件。對于低熔點(diǎn)金屬而言，如鈦或者鋼鐵等，相對容易獲得致密的燒結(jié)體。對于鎢(熔點(diǎn)3460)鑰(熔點(diǎn)2630)高熔點(diǎn)金屬，因粉體無法在激光作用下完全融化，因此難以獲得97%以上的理論密度。而且，由于激光燒結(jié)時(shí)，鎢或者鑰從融化態(tài)快速凝固，由于凝固區(qū)域與周圍材料溫差過大，凝固速度快，因而導(dǎo)致成型的材料內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力過大，內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致燒結(jié)體容易產(chǎn)生微裂紋甚至開裂等缺陷。因此，激光燒結(jié)工藝，目前只應(yīng)用于高溫合金、鈦合金(1660)等熔點(diǎn)以下的材料的成型。
[0013]綜上所述，目前在X射線管陽極靶的制備方法中，尚沒有一種工藝能夠同時(shí)克服軌跡層的高密度、高熔點(diǎn)以及和鑰基體之間的界面平整性的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種新的X射線管陽極靶制備工藝，該制備工藝能夠解決等離子噴涂之后鎢或鎢合金密度重鑄過程中，產(chǎn)生的晶粒過大、強(qiáng)度降低或孔洞無法消除等問題。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種X射線管陽極靶制備方法，包括步驟:
[0016](I)準(zhǔn)備一耐熱基體；
[0017](2)將所述耐熱基體置于真空或者低壓環(huán)境中，并加熱到不低于1400°C ；
[0018](3)使用鎢粉或者鎢合金粉對所述耐熱基體進(jìn)行等離子噴涂，在其表面制作鎢或者鶴合金粉末的金屬涂層，該金屬涂層的厚度為0.1-1.0mm ；
[0019](4)用激光束對上述噴涂的金屬涂層進(jìn)行掃描使之重熔和凝固；
[0020](5)反復(fù)進(jìn)行過程(3)和過程(4)中的等離子噴涂和激光重熔過程，使金屬涂層的厚度達(dá)到所需厚度為止，得到毛坯；
[0021](6)對所述毛坯在真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，以消除或減少內(nèi)部應(yīng)力；
[0022](7)最后對毛坯進(jìn)行機(jī)械加工獲得所需形狀的X射線管陽極靶。
[0023]優(yōu)選的，所述耐熱基體為石墨、鑰、鎢、鑰合金或鎢合金中的一種。
[0024]優(yōu)選的，所述耐熱基體設(shè)置于一可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的平臺上，所述等離子噴涂和激光重熔所使用到的等離子槍和激光器相對該平臺設(shè)置，并分別可以作相對所述平臺做水平方向上的X、Y雙自由度移動，控制該等離子槍和激光器，以及平臺的機(jī)械裝置按照所需毛坯的形狀設(shè)計(jì)運(yùn)動軌跡，通過平臺的旋轉(zhuǎn)以及等離子槍和激光器的相對平移得到所需毛坯的形狀。
[0025]優(yōu)選的，所述激光器和等離子槍分別設(shè)置在相對平臺的兩個(gè)端部，該激光器和等離子槍相對平臺的距離保持恒定。
[0026]優(yōu)選的，所述步驟2)中，使用等離子槍噴出的等離子體火焰對耐熱基體進(jìn)行所述加熱。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟6)中，熱處理的加熱溫度為1300-1600°C，保溫1_5小時(shí)。
[0028]優(yōu)選的，所述等離子噴涂使用直流等離子或者感應(yīng)等離子進(jìn)行。
[0029]優(yōu)選的，所述激光束使用CO2激光器或固體激光器形成。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于:一般的激光燒結(jié)工藝，由于基底溫度偏低，而激光融化區(qū)域的熔體在快速凝固過程中，由于與周邊材料和基體材料的溫差大，熔化凝固區(qū)的材料與周圍材料因體積收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，燒結(jié)體容易產(chǎn)生裂紋。在等離子噴涂過程中，由于等離子焰對基體和涂層有加熱作用，可以使基體和涂層保持1400°C以上的高溫，降低了激光燒結(jié)時(shí)的熔化凝固區(qū)和其臨近區(qū)域的溫度差，降低了激光束加熱下的涂層凝固過程因收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，消除了涂層產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。而且由于等離子體溫度高達(dá)5000-10000度，能夠使鎢等高熔點(diǎn)金屬徹底熔化，獲得的涂層密度高，能夠避免激光燒結(jié)時(shí)導(dǎo)致的粉體無法完全熔化的缺點(diǎn)；同時(shí)激光對等離子噴涂涂層的重熔過程在低壓或者真空環(huán)境中進(jìn)行，能夠減少材料中的孔洞數(shù)量，提高了材料致密度；噴涂涂層在激光作用下，實(shí)現(xiàn)了快速熔化和快速凝固，能夠進(jìn)一步細(xì)化了晶粒。
【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1是應(yīng)用本發(fā)明的制備方法制作X射線管陽極靶時(shí)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]正如【背景技術(shù)】中所述，現(xiàn)有的X射線管陽極靶制備工藝中，粉末冶金法的缺點(diǎn)在于獲得的涂層和基底之間的界面效應(yīng)隨著X射線管陽極靶的增大越來越突出、化學(xué)氣相沉積法在沉積過程中容易產(chǎn)生材料浪費(fèi)而導(dǎo)致的成本上升問題，而傳統(tǒng)的等離子噴涂工藝，由于獲得的涂層密度不高，因此需要在噴涂之后進(jìn)一步采取熱處理的方式提高密度。但是這樣一來，又產(chǎn)生了晶粒過大、強(qiáng)度降低或孔洞無法消除等問題。
[0034]因此，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出了一種新的X射線管陽極靶制備方法。該制備方法在現(xiàn)有的等離子噴涂工藝的基礎(chǔ)上，在噴涂過程中加入激光重熔步驟，對金屬涂層進(jìn)行激光重熔，以解決傳統(tǒng)等離子噴涂工藝密度不高的問題。在本發(fā)明中，等離子噴涂工藝除了正常的涂層沉積作用外，還對金屬涂層起到加熱的作用，使噴涂得到的金屬涂層維持在一個(gè)較高溫度下，這樣一來，利用激光重熔時(shí)，可以杜絕因重熔溫度差導(dǎo)致的金屬涂層晶粒粗大和空隙等問題。同時(shí)，本發(fā)明采用邊噴涂邊激光重熔的方式，將目標(biāo)厚度的金屬涂層分成若干薄層進(jìn)行反復(fù)沉積和重熔，確保了激光重熔的效果，也降低了成型的材料內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力過大導(dǎo)致的燒結(jié)體容易產(chǎn)生微裂紋甚至開裂的缺陷。
[0035]下面，將對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)描述。
[0036]請先參見圖1，圖1是應(yīng)用本發(fā)明的制備方法制作X射線管陽極靶時(shí)的示意圖。如圖所示，在平臺100上設(shè)有耐熱基體101，該耐熱基體101用來作為X射線管陽極靶的基礎(chǔ)材料，其上將被制作由難溶金屬形成的金屬涂層102，該金屬涂層102作為陽極靶面用來形成X射線。在實(shí)際應(yīng)用中，該耐熱基體101可以為石墨、鑰、鎢、鑰合金或鎢合金中的一種，該難溶金屬可以為鶴、鑰、鉭、鈦或者相應(yīng)的合金。
[0037]請繼續(xù)參見圖1，該平臺100可以繞中心軸做旋轉(zhuǎn)。在相對該平臺100的上方，設(shè)有一個(gè)等離子槍110和激光器120，兩者分別設(shè)置在相對平臺100的兩個(gè)端部。等離子槍110用來進(jìn)行等離子噴涂工藝，同時(shí)也可以利用該等離子槍110形成的等離子體焰對下方的基體進(jìn)行加熱。激光器120用來進(jìn)行激光重熔工藝，該激光器120使用CO2激光器或固體激光器。該等離子槍110和激光器120連接在相應(yīng)的機(jī)械裝置上，并在該機(jī)械裝置的帶動下分別可以作相對平臺100水平方向上的X、Y雙自由度移動，加上平臺100的Z軸旋轉(zhuǎn)，整套裝置可以實(shí)現(xiàn)三自由度的移動。因此只要按照所需毛坯的形狀設(shè)計(jì)這些機(jī)械裝置的運(yùn)動軌跡，就能得到所需毛坯的形狀。操作時(shí)，可以令激光器和等離子槍相對平臺的距離保持恒定，這樣可以減少等離子噴涂或激光重熔過程中的誤差。優(yōu)選的，上述的這些裝置設(shè)置于一個(gè)低壓或者真空環(huán)境中。
[0038]利用圖1所示的裝置，本發(fā)明的X射線管陽極靶制備方法具體包括如下幾個(gè)步驟:
[0039](I)準(zhǔn)備一耐熱基體，對該耐熱基體的要求，在上文的描述中已經(jīng)提及，此處不再贅述。
[0040](2)將所述耐熱基體置于真空或者低壓環(huán)境中，并加熱到不低于1400°C。加熱時(shí)，可以采用等離子槍產(chǎn)生的等離子體焰進(jìn)行，不需依賴額外的加熱工具，并且該等離子槍在整個(gè)靶材的制作過程中都會對基體以及表面的涂層實(shí)施作用，因此可以保證基體的溫度自始至終處于1400°C以上，這樣一來，在激光重熔的時(shí)候，可以保證激光的作用區(qū)域與周邊區(qū)域不至于產(chǎn)生過大的溫度差，保證涂層內(nèi)部在激光重熔時(shí)不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力以及氣泡等負(fù)面缺陷。
[0041](3)使用鎢粉或者鎢合金粉對所述耐熱基體進(jìn)行等離子噴涂，在其表面制作鎢或者鎢合金粉末的金屬涂層，該金屬涂層的厚度為0.1-1.0mm。等離子噴涂使用直流等離子或者感應(yīng)等離子都可以。在該過程中，金屬涂層的厚度不宜過大，一方面可以降低單次噴涂的時(shí)間，另一方面，比較薄的金屬涂層具有更好的均勻性以及后續(xù)經(jīng)激光照射時(shí)的重熔能力，并且薄的金屬涂層不易積累應(yīng)力，從而導(dǎo)致龜裂或分層。具體操作時(shí)，可以將等離子噴涂時(shí)的送粉速率控制在10-30g/min。
[0042](4)用激光束對上述噴涂的金屬涂層進(jìn)行掃描使之重熔和凝固。該步驟緊隨上述步驟(3)，對單次噴涂形成的金屬涂層，馬上實(shí)施激光重熔，使金屬涂層尚處于較高溫度下時(shí)就被實(shí)施重熔和凝固，這樣可以減少激光光點(diǎn)所在的重熔區(qū)和周圍區(qū)域之間的溫度差，同時(shí)也可以使得噴涂過程產(chǎn)生的一些微笑氣泡得到消除，達(dá)到較好地重熔效果。激光器在機(jī)械裝置的驅(qū)動下，按照預(yù)定軌跡勻速的掃過金屬涂層表面，其照射點(diǎn)的能量和照射時(shí)間足以讓金屬涂層重熔即可，在保證激光重熔的可靠性的前提下，盡量與噴涂的速度保持一致，使得生廣效率提聞。
[0043](5)反復(fù)進(jìn)行步驟(3)和過程(4)中的等離子噴涂和激光重熔過程，使金屬涂層的厚度達(dá)到所需厚度為止，得到毛坯。由于單次噴涂的金屬涂層需控制厚度，因此不足以制作成金屬靶面，必須實(shí)施多次噴涂和重熔，才能得到最終的X射線管的陽極靶面。另外需要指出的是，這種將金屬靶面分開實(shí)施多次噴涂也是本發(fā)明的一個(gè)重點(diǎn)改進(jìn)，這種分多次進(jìn)行噴涂和激光重熔的方式，不僅解決了現(xiàn)有的噴涂工藝中，密度小、強(qiáng)度低、氣孔等缺陷，而且也克服了激光重熔工藝對于難熔金屬涂層燒結(jié)過程中引入的應(yīng)力問題。另外在本發(fā)明中，通過嚴(yán)格控制激光器與金屬涂層之前的距離，確保每次重熔過程都能將金屬有效熔化，從而保證了金屬重熔效果，使噴涂之后的金屬涂層的密度大大提高。
[0044](6)對所述毛坯在真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，以消除或減少內(nèi)部應(yīng)力。具體的，熱處理的加熱溫度為1300-1600°C，保溫1-5小時(shí)。
[0045](7)最后對毛坯進(jìn)行機(jī)械加工獲得所需形狀的X射線管陽極靶。
[0046]綜上所述，本發(fā)明提出了一種X射線管陽極靶的制備方法，該制備方法通過在等離子噴涂工藝中引入激光重熔工藝，并將金屬涂層以多次分層沉積的方式制作，確保了激光重熔的效果。一方面可以提高金屬涂層的密度，增加強(qiáng)度，另一方面有可以減少激光重熔帶來的應(yīng)力問題，從而克服了現(xiàn)有工藝中的缺點(diǎn)，使得X射線管陽極靶的質(zhì)量得到提升。
[0047]對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于，包括步驟: (1)準(zhǔn)備一耐熱基體； (2)將所述耐熱基體置于真空或者低壓環(huán)境中，并加熱到不低于1400°C； (3)使用鎢粉或者鎢合金粉對所述耐熱基體進(jìn)行等離子噴涂，在其表面制作鎢或者鎢合金粉末的金屬涂層，該金屬涂層的厚度為0.1-1.0mm ； (4)用激光束對上述噴涂的金屬涂層進(jìn)行掃描使之重熔和凝固； (5)反復(fù)進(jìn)行過程(3)和過程(4)中的等離子噴涂和激光重熔過程，使金屬涂層的厚度達(dá)到所需厚度為止，得到毛坯； (6)對所述毛坯在真空爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，以消除或減少內(nèi)部應(yīng)力； (7)最后對毛坯進(jìn)行機(jī)械加工獲得所需形狀的X射線管陽極靶。2.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述耐熱基體為石墨、鑰、鎢、鑰合金或鎢合金中的一種。3.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述耐熱基體設(shè)置于一可繞中心軸旋轉(zhuǎn)的平臺上，所述等離子噴涂和激光重熔所使用到的等離子槍和激光器相對該平臺設(shè)置，并分別可以作相對所述平臺做水平方向上的X、Y雙自由度移動，控制該等離子槍和激光器，以及平臺的機(jī)械裝置按照所需毛坯的形狀設(shè)計(jì)運(yùn)動軌跡，通過平臺的旋轉(zhuǎn)以及等離子槍和激光器的相對平移得到所需毛坯的形狀。4.如權(quán)利要求3所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述激光器和等離子槍分別設(shè)置在相對平臺的兩個(gè)端部，該激光器和等離子槍相對平臺的距離保持恒定。5.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述步驟2)中，使用等離子槍噴出的等離子體火焰對耐熱基體進(jìn)行所述加熱。6.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述步驟6)中，熱處理的加熱溫度為1300-1600°C，保溫1-5小時(shí)。7.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述等離子噴涂使用直流等離子或者感應(yīng)等離子進(jìn)行。8.如權(quán)利要求1所述的X射線管陽極靶的制備方法，其特征在于:所述激光束使用CO2激光器或固體激光器形成。
【文檔編號】H01J9/02GK105895474SQ201410185383
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年5月6日
【發(fā)明人】都業(yè)志
【申請人】蘇州艾默特材料技術(shù)有限公司