一种扩散连接制备阳极基体的方法与流程

1.本发明属于x射线管用阳极靶材制备技术领域，尤其涉及一种扩散连接制备阳极基体的方法。


背景技术：

2.阳极靶材是x射线管中至关重要的部件，其性能的好坏往往会直接影响x射线管的发射强度及使用寿命。阳极靶材要求其在高温使用条件下具有耐电子轰击、高的x射线发射剂量和热量迅速散失的特性，因此，现有技术中通常采用高原子序数、高熔点、高密度的钨作为阳极靶材的靶面材料，通过在钨中添加少量的铼进而提高靶面材料的耐电子轰击能力、有效降低剂量衰减速度、提高使用寿命；以及采用热容量大、比重比钨小的钼合金作为阳极靶材的基体材料进而提高阳极靶材的输出功率以及加快热量散失，从而进一步提高阳极靶材的使用寿命。
3.目前，对于x射线管用阳极靶材的制备根据文献《国外x射线管用旋转阳极靶概况》(《稀有金属与硬质合金》1987年z1期)，其工艺主要有以下三种：一种为粉末冶金法，即在金属模具中按照所设计靶材的形状与要求，分层填装各种粉末，然后采用一定的工艺压制，进而烧结成型；这种方法虽然工艺简单，但烧结密度较低。第二种为采用粉末冶金法制取钨铼-钼合金烧结坯料，然后经3-4次锻打后，通过机械加工的方式制得产品，此种工艺锻打道次多，产品局部区域容易产生应力集中导致裂纹，导致效率低，成本偏高。第三种为在钼合金基体上采用气相沉积钨铼合金，这种工艺往往由于钨铼层的密度偏低，且与钼合金基体结合强度偏低，使得在高温使用时，容易产生龟裂，造成x射线管寿命较短，而且此种工艺也容易对环境造成污染。
4.发明专利cn109702191b公开了一种高精度动平衡旋转阳极靶材的制备方法，首先在压制模具中设置定位锥，然后分别将钨粉和钼粉分别填充到压制模具中进行压制后进行烧结工序、车削加工工序得到旋转阳极靶材，其中，车削加工工序中先以烧结坯料中由定位锥形成的锥面的顶点为中心加工中心通孔，然后以中心通孔为基准进行车削加工。实践证明该方法制备的靶盘由于烧结态的强度较低，使用过程中易出现裂纹。
5.发明专利cn107081517a公开了一种tzm与wre异种难熔合金的sps扩散焊接方法，以ti粉作为活性中间层，通过放电等离子烧结技术(sps)对tzm合金与wre合金在低于母材的再结晶温度下进行扩散焊接，从而获得tzm合金与wre合金的连接件；实践证明此方法制造条件要求较高，无法批量化生产且成本较高，成品率较低。
6.发明专利cn112958770a公开了一种wre/tzm复合材料的制备方法；首先在模具内装入tzm合金粉末进行预压，然后再装入球磨后的wre合金粉末进行压制，最后在模具外包裹一层碳毡，放入sps炉腔中进行放电等离子烧结制备得到wre/tzm复合材料；实践证明该方法批次稳定性较差，不适宜批量生产。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的不足及缺陷，本发明旨在提供一种扩散连接制备阳极基体的方法，本发明首先根据阳极基体的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件，然后再经焊接/包套成形、热等静压扩散连接处理、机械加工、高温排气处理得到阳极基体成品。本发明的制备方法生产效率高，制备得到的阳极基体具有高温强度高、动平衡精度高等优点。
8.本发明第一方面提供了一种扩散连接制备阳极基体的方法，采用如下的技术方案：
9.一种扩散连接制备阳极基体的方法，包括如下步骤：
10.步骤一、首先根据阳极基体的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件，所述基础组件包括从上到下依次叠放的钨合金靶面坯件、钼合金基体坯件；
11.步骤二、将所述钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的外圈边缘连接处进行焊接处理得到成型组件；
12.或者将所述基础组件放入到包套中，然后将包套进行真空脱气处理，再将包套抽气口进行封焊处理得到包套成型件；
13.步骤三、将所述成型组件或者包套成型件进行热等静压扩散连接处理；
14.步骤四、将热等静压扩散连接处理后的成型组件或者将热等静压扩散连接处理后的包套成型件去除包套后按照阳极基体的形状要求，进行机械加工处理得到机加工后阳极基体；
15.步骤五、将机加工后阳极基体先进行清洗再进行高温排气处理，得到阳极基体成品。
16.本发明中首先根据阳极基体的形状要求，设计并加工得到钨合金靶面坯件、钼合金基体坯件，再经焊接/包套成形、热等静压扩散连接处理、机械加工、高温排气处理得到阳极基体成品；由于钨合金靶面坯件、钼合金基体坯件属于变形态合金件，且进一步真空热处理得到的，因此，相比于传统粉末冶金具有致密度高、强度高的优点，使得最终得到的阳极基体成品具有高温强度高、动平衡精度高等优点。进一步地，本发明中通过热等静压扩散连接处理使得钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件之间的接触面实现连接，经过结合层原子一段时间的相互扩散，界面上形成扩散层，最终实现钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件之间产生牢靠的稳定性连接界面。此外，本发明中每炉次装炉量与炉膛大小有关，炉膛越大，装炉量越多，本发明热等静压扩散连接处理工艺一般每炉次100片以上，每天一炉次，生产效率相较于高温真空热压焊接工艺(1片/炉，每天/炉)大幅度提升。
17.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤一中，所述钨合金靶面坯件采用钨合金为原料经塑性加工和/或机加工、真空热处理制得；优选地，所述钨合金中，铼的质量分数为0-10％(比如0.5％、1％、2％、3％、5％、7％、9％)，余量为钨；优选地，所述钨合金中，铼的质量分数为0-10％(比如0.5％、1％、2％、3％、5％、7％、9％)，碳化物的质量分数≤1％(比如0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.5％、0.7％、0.9％)，余量为钨，其中碳化物为hfc、tac、zrc中的一种或多种；优选地，所述真空热处理的温度为1500-1700℃(比如1550℃、1600℃、1650℃)，保温时间为60-120min(比如80min、100min、110min)，真空度≤5
×
10-4
pa。
18.本发明中的钨合金靶面坯件采用钨合金为原料经塑性加工和/或机加工、真空热
处理制得，其中，经塑性加工(比如冲压或旋压成伞状)能够进一步提高钨合金靶面坯件的致密度和强度，真空热处理能够除去钨合金靶面坯件表面污染、氧化及内部的残余气体，避免在后续的热等静压扩散连接处理中导致连接处强度偏低或扩散连接失败，本发明中钨合金是通过粉末冶金/真空熔炼结合变形加工工艺获得的；在钨合金中加入铼元素，能够有效改善钨的塑性，提高钨合金靶面坯件的抗冲击性能，而铼含量过高，则造成成本偏高、性能浪费。本发明中的钨合金靶面坯件的形状、厚度等取决于阳极基体成品的设计要求，现有阳极基体成品中，钨合金靶面坯件的形状一般为伞状，厚度为1-1.5mm，因此，通常为了留有加工余量，钨合金靶面坯件的厚度控制在3mm左右，本发明扩散连接制备阳极基体的方法同样适用于处理厚度更厚或更薄的钨合金靶面坯件。
19.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤一中，所述钼合金基体坯件采用钼合金为原料经塑性加工和/或机加工、真空热处理制得；优选地，所述钼合金为mo-ti-zr合金(tzm)、mo-hf-c合金(mhc)、mo-la合金(mola)中的一种；优选地，在所述mo-ti-zr合金中以质量分数计，ti：0.40-0.55％(比如0.45％、0.50％、0.52％)，zr：0.06-0.12％(比如0.07％、0.09％、0.11％)，c：0.01-0.04％(比如0.02％、0.025％、0.03％)，余量为mo；优选地，在所述mo-hf-c合金中以质量分数计，hf：0.8-1.2％(比如0.9％、1.0％、1.1％)，c：0.05-0.12％(比如0.08％、0.1％、0.11％)，余量为mo；优选地，在所述mo-la合金中以质量分数计，la2o3：0.3-0.8％(比如0.4％、0.5％、0.7％)，余量为mo；优选地，所述真空热处理的温度为1500-1700℃(比如1550℃、1600℃、1650℃)，保温时间为60-120min(比如80min、100min、110min)，真空度≤5
×
10-4
pa。
20.本发明中的钼合金基体坯件采用钼合金为原料经塑性加工和/或机加工、真空热处理制得，其中，经塑性加工(比如镦锻成形为坯料锥体形状)能够进一步提高钼合金基体坯件的致密度和强度，真空热处理能够除去钼合金基体坯件表面污染、氧化及内部的残余气体，避免在后续的热等静压扩散连接处理中导致连接处强度偏低或扩散连接失败，本发明中钼合金是通过粉末冶金/真空熔炼结合变形加工工艺获得的。此外，本发明中的钼合金基体坯件的形状、厚度等取决于阳极基体成品的设计要求，现有阳极基体成品中，钼合金基体坯件的厚度一般为15mm以内，本发明采用扩散连接制备阳极基体的方法同样适用于处理厚度更厚或更薄的钼合金基体坯件。
21.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤一中，所述钨合金靶面坯件与所述钼合金基体坯件的接触面的表面粗糙度ra≤0.8。
22.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤二中，所述焊接处理得到成型组件中，所述焊接处理为激光焊接或电子束焊接，更优选地，焊缝漏率≤1
×
10-10
pa
·
m3/s。
23.本发明中通过将焊缝漏率限定为≤1
×
10-10
pa
·
m3/s，能够确保空气不进入到钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的接触面之间，以免在后续的热等静压扩散连接处理中不能形成有效连接。
24.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤二中，包套的材质为钽合金，在包套的内部涂覆陶瓷层；优选地，所述陶瓷层的厚度为50-200μm(比如80μm、100μm、150μm)；优选地，所述陶瓷层的材质为zro2、al2o3、bn中的一种或几种；优选地，真空脱气的真空度≤5
×
10-3
pa。
25.本发明中在包套内部涂覆陶瓷层的目的在于防止包套材料和所述基础组件的材料在热等静压连接扩散处理的过程中连接在一起形成扩散层。
26.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤三中，所述热等静压扩散连接处理在热等静压炉中进行，热等静压扩散连接处理的温度为1500-1800℃(比如1550℃、1600℃、1650℃、1680℃、1690℃、1700℃、1750℃)，压力为150-200mpa(比如160mpa、170mpa、180mpa、190mpa)，保温保压时间为60-240min(比如80min、100min、150min、180min、200min)。
27.本发明中若热等静压扩散连接处理的温度低于1500℃，则钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件之间不能产生牢靠的稳定性连接界面；若热等静压扩散连接处理的温度高于1800℃，则由于温度过使得钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件中的晶粒发生长大，从而影响最终阳极基体的性能，同时温度过高，设备受限严重，即工业化高温高压热等静压设备较少，难于实现工业化生产。
28.在上述扩散连接制备阳极基体的方法中，作为一种优选实施方式，在步骤五中，所述高温排气处理的温度为1500-1700℃(比如1550℃、1600℃、1620℃、1680℃)，保温时间为60-120min(比如70min、90min、100min、110min)，排气真空度≤5
×
10-4
pa。
29.本发明中的高温排气处理在真空加热炉中进行，保持炉内真空度≤5
×
10-4
pa，进行高温排气处理的主要目的在于除去阳极基体中的残余气体，从而避免阳极基体在高温高真空的环境使用时由于放气量过大导致失效。
30.本发明第二方面提供了一种阳极基体，所述阳极基体通过上述制备方法制得。
31.在上述阳极基体中，作为一种优选实施，所述阳极基体在去重前的不平衡量≤1g
·
cm。
32.本发明与现有技术相比，具有如下积极效果：
33.(1)本发明首先根据阳极基体的形状要求，设计并加工得到钨合金靶面坯件、钼合金基体坯件，由于钨合金靶面坯件、钼合金基体坯件分别采用变形态钨铼合金和钼合金为原料经真空热处理制得，因此具有致密度高、强度高的优点，较采用传统粉末冶金方法制备的阳极基体，避免了因铺粉不均匀造成的动平衡精度差、锻造变形量小造成的强度较差的问题，具有强度高，动平衡精度高等优点。
34.(2)本发明的制备方法引入热等静压扩散连接工艺，相对于高温真空热压焊接工艺、sps扩散焊接等工艺，大幅提升了生产效率、可实现批量生产，成品率高，本发明的热等静压扩散连接工艺一般每炉次100片以上，每天一炉次，生产效率相较于高温真空热压焊接工艺(由于此工艺升降温时间较长，保温时间也长，且每炉仅能生产单片，此工艺的生产效率为1片/炉，每天/炉)，在保证钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件结合面连接质量的前提下，本发明的生产成本大大降低。
35.(3)本发明的热等静压扩散连接工艺可以保证钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件之间的结合强度，使用过程中两坯件结合面未出现裂纹，两坯件结合面无分层情况出现，通过无损超声检测，钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件的界面结合率≥99％；去重前的阳极基体的不平衡量≤1g
·
cm；得到的阳极基体成品的使用寿命≥2年。
附图说明
36.图1为利用本发明的制备方法得到的成型组件的剖面结构示意图；
37.图2为利用本发明的制备方法得到的包套成型件的剖面结构示意图。
38.附图标记说明：1、钨合金靶面坯件；2、钼合金基体坯件；3、焊接点；4、包套。
具体实施方式
39.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够实践和再现。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.下述实施例中的试验方法中，如无特殊说明，均为常规方法，可按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。以下实施例中所述的原料均可从公开商业途径获得。
41.本发明扩散连接制备阳极基体的方法制备的阳极基体可以作为x射线管的阳极靶材使用。
42.实施例1一种扩散连接制备阳极基体的方法，包括如下步骤：
43.(1)首先根据图1所示的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件(整体形状呈圆台，其上表面的直径记为d，下表面直径记为d，上表面与其相邻的侧表面之间的角度即轨道层角度记为α)，所述基础组件包括从上到下依次叠放的钨合金靶面坯件(其厚度记为h1)、钼合金基体坯件(其厚度记为h2)；其中，钨合金靶面坯件采用w5re-0.27hfc合金(按照质量分数计，re:5％，hfc:0.27％，余量为w)为原料经板材冲压 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1600℃保温60min的真空热处理制得，其厚度h1为3mm；钼合金基体坯件采用tzm钼合金为原料经过镦锻 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1600℃保温60min的真空热处理制得，其厚度h2为9mm；基础组件的上表面直径d为45mm，下表面直径d为93mm，轨道层角度α为13
°
，钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的接触面的表面粗糙度ra≤0.8。
44.(2)将钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的外圈边缘连接处采用电子束焊接成形得到成型组件，要求保证焊缝漏率≤1
×
10-10
pa
·
m3/s。
45.(3)将所述成型组件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理，其中，热等静压扩散连接处理的温度为1600℃，压力为180mpa，保温保压时间为180min。
46.(4)将热等静压扩散连接处理后的成型组件按照阳极基体的形状要求，进行机械加工处理得到下表面直径d为90mm机加工后阳极基体；
47.(5)将机加工后阳极基体先进行清洗再进行高温排气处理，得到阳极基体成品；高温排气处理的温度为1650℃，保温时间为90min，排气真空度≤3
×
10-4
pa。
48.将去重前的阳极基体采用申克hm10bk动平衡机测试其不平衡量，不平衡量结果为0.35g
·
cm；通过无损超声检测，钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件的界面结合率达到了100％；得到的阳极基体成品的使用寿命≥2年。
49.实施例2一种扩散连接制备阳极基体的方法，包括如下步骤：
50.(1)首先根据图2所示的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件(整体形状呈圆台，其上表面的直径记为d，下表面直径记为d，上表面与其相邻的侧表面之间的角度
即轨道层角度记为α)，所述基础组件包括从上到下依次叠放的钨合金靶面坯件(其厚度记为h1)、钼合金基体坯件(其厚度记为h2)；其中，钨合金靶面坯件采用w10re合金(按照质量分数计，re:10％,余量为w)为原料经板材冲压 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1550℃保温120min的真空热处理制得，其厚度h1为3mm；钼合金基体坯件采用mhc钼合金为原料经过镦锻 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1550℃保温120min的真空热处理制得，其厚度h2为10mm；基础组件的上表面直径d为106mm，下表面直径d为143mm，轨道层角度α为8
°
，钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的接触面的表面粗糙度ra≤0.8。
51.(2)将所述基础组件放入到包套中(包套的材质为钽合金，在包套的内部涂覆厚度为100μm陶瓷层，陶瓷层的材质为bn)，然后将包套进行真空脱气处理，再将包套抽气口进行封焊处理得到包套成型件，其中，真空脱气真空度≤5
×
10-3
pa。
52.(3)将所述包套成型件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理，其中，热等静压扩散连接处理的温度为1500℃，压力为200mpa，保温保压时间为240min。
53.(4)将热等静压扩散连接处理后的包套成型件去除包套后按照阳极基体的形状要求，进行机械加工处理得到下表面直径d为140mm机加工后阳极基体；
54.(5)将机加工后阳极基体先进行清洗再进行高温排气处理，得到阳极基体成品；高温排气处理的温度为1650℃，保温时间为90min，排气真空度≤3
×
10-4
pa。
55.将去重前的阳极基体采用申克hm10bk动平衡机测试其不平衡量，不平衡量结果为0.55g
·
cm；通过无损超声检测，钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件的界面结合率≥99％；得到的阳极基体成品的使用寿命≥2年。
56.实施例3一种扩散连接制备阳极基体的方法，包括如下步骤：
57.(1)首先根据图1所示的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件(整体形状呈圆台，其上表面的直径记为d，下表面直径记为d，上表面与其相邻的侧表面之间的角度即轨道层角度记为α)，所述基础组件包括从上到下依次叠放的钨合金靶面坯件(其厚度记为h1)、钼合金基体坯件(其厚度记为h2)；其中，钨合金靶面坯件采用w10re合金(按照质量分数计，re:10％,余量为w)为原料经板材冲压 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1600℃保温90min的真空热处理制得，其厚度h1为3mm；钼合金基体坯件采用mola钼合金(按照质量分数计，la2o3:0.5％，余量为mo)为原料经过镦锻 机加工成形或者机加工成形，后于真空度≤5
×
10-4
pa的条件下经1600℃保温90min的真空热处理制得，其厚度h2为12mm；基础组件的上表面直径d为143mm，下表面直径d为193mm，轨道层角度α为7
°
，钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的接触面的表面粗糙度ra≤0.8。
58.(2)将钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的外圈边缘连接处采用电子束焊接成形得到成型组件，要求保证焊缝漏率≤1
×
10-10
pa
·
m3/s。
59.(3)将所述成型组件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理，其中，热等静压扩散连接处理的温度为1800℃，压力为150mpa，保温保压时间为180min。
60.(4)将热等静压扩散连接处理后的成型组件按照阳极基体的形状要求，进行机械加工处理得到下表面直径d为190mm机加工后阳极基体。
61.(5)将机加工后阳极基体先进行清洗再进行高温排气处理，得到阳极基体成品；高温排气处理的温度为1700℃，保温时间为60min，排气真空度≤3
×
10-4
pa。
62.将去重前的阳极基体采用申克hm10bk动平衡机测试其不平衡量，不平衡量结果为0.65g
·
cm；通过无损超声检测，钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件的界面结合率≥99％；得到的阳极基体成品的使用寿命≥2年。
63.对比例1
64.对比例1中除了步骤(3)与实施例2不同，其余均与实施例2相同，具体为：(3)将所述包套成型件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理，其中，热等静压扩散连接处理的温度为1400℃，压力为200mpa，保温保压时间为240min；
65.出炉去除包套后发现钨铼合金靶面坯件和钼合金基体坯件没有实现有效连接。
66.对比例2
67.对比例2中除了步骤(3)与实施例2不同，其余均与实施例2相同，具体为：(3)将所述包套成型件置于热等静压炉中进行热等静压扩散连接处理，其中，热等静压扩散连接处理的温度为1900℃，压力为200mpa，保温保压时间为240min；
68.对得到的阳极基体成品经过解剖分析，发现钼合金基体坯件发生了异常晶粒长大，不能满足使用要求。
69.对比例3
70.对比例3中除了步骤(1)与实施例2不同，其余均与实施例2相同，具体为：
71.(1)首先根据图2所示的形状要求，设计并加工得到阳极基体的基础组件(整体形状呈圆台，其上表面的直径记为d，下表面直径记为d，上表面与其相邻的侧表面之间的角度即轨道层角度记为α)，所述基础组件包括从上到下依次叠放的钨合金靶面坯件(其厚度记为h1)、钼合金基体坯件(其厚度记为h2)；其中，钨合金靶面坯件采用w10re合金(按照质量分数计，re:10％,余量为w)为原料经板材冲压 机加工成形制得或者机加工成形，其厚度h1为3mm；钼合金基体坯件采用mhc钼合金为原料经过镦锻 机加工成形或者机加工成形，其厚度h2为10mm；基础组件的上表面直径d为106mm，下表面直径d为143mm，轨道层角度α为8
°
，钨合金靶面坯件与钼合金基体坯件的接触面的表面粗糙度ra≤0.8。
72.将去重前的阳极基体采用申克hm10bk动平衡机测试其不平衡量，不平衡量结果为0.55g
·
cm，通过无损超声检测，钨合金靶面坯件和钼合金基体坯件的界面结合率在75％左右，不能满足界面结合率≥90％的使用要求。
73.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。