一种多层耐高温复合阳极的制备方法与流程

本发明属于阳极材料制备技术领域，具体涉及一种多层耐高温复合阳极的制备方法。

背景技术：

ct机x线管工作时，阳极靶受电子轰击产生x射线的同时约98％以上的能量将转变为热能，而且热量主要集中在阳极上。这个热量分布在转动着的具有一定倾斜角度的阳极靶面上，形成一个圆环状的受热面积。由于旋转阳极在真空环境中和交变热负荷的条件下使用，在连续负载时，整个阳极靶体温度可以升得很高，x线管工作时的环境温度在1300℃以上，散热主要依靠热辐射。金属钨具有熔点高、蒸气压低、密度大、及原子序数高等优点，能保证在电子束轰击下产生大量x射线，可作为阳极材料；但是纯钨的热容量小、散热性能差。石墨具有很高的热容量和散热能力，以及极高的抗热应力能力。将w/mo复合层与不同厚度的三高石墨连接作为一个整体，可很大程度减小阳极体积和重量，提高阳极使用寿命。

在x射线阳极制备方面，国内外对相关技术知识产权和文献发表不多，cn101290852a利用粉末冶金工艺连同石墨在高温下一次烧结成型；us4119879在钨钼层间添加稀土元素做过渡层；cn102124537a、cn103050357a、cn104350574a均以基体材质及结构设计做为重点阐述。在难熔金属钼及钼合金与石墨连接技术方面，cn102240836b添加箔材钎料，增加石墨表面粗糙度的方法进行焊接；us2002/0085678a1、us2011/0103553a1、us2011/0103553a1、us2011/008059785b2、jp2010-140879a等国外专利中所涉及到的钼及其合金与石墨焊接方法，均以添加不同元素、不同添加形式，包括粉、箔、镀层等进行钎焊。

以上方法所得产品动平衡良品率较差，高温工作下新元素的引入势必造成产品污染、材料高温寿命降低等问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种多层耐高温复合阳极的制备方法。该方法先加工复合阳极的各层，然后将各层依次叠放并在各层之间添加钎料进行真空热压焊接，最终得到复合阳极，由于复合阳极各层之间通过高温扩散连接，各层界面间过渡规则，界面清晰，保证了复合阳极的耐高温性能，避免了装粉后因压制受力不均匀产生大量不规则凹凸、锯齿、椭圆形界面，从而缩小了复合阳极的动平衡偏差，提高了复合阳极的良品率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多层耐高温复合阳极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据目标产物复合阳极分别制备第一金属层、第二金属层和非金属层，并从上到下依次叠放；所述第一金属层的成分为钨或钨合金，所述第二金属层的成分为钼或钼合金，所述非金属层的成分为石墨；

步骤二、在步骤一中所述第一金属层与第二金属层的叠放面之间添加第一钎料；

步骤三、在步骤一中所述非金属层与步骤二中添加第一钎料后的第二金属的叠放面之间添加第二钎料，得到复合阳极预焊件；

步骤四、将步骤三中得到的复合阳极预焊件进行高温真空热压焊接，焊接后第二金属层和非金属层之间形成过渡层，然后经加工得到在1600℃高温除气无异常挥发的多层耐高温复合阳极。

本发明先根据目标产物复合阳极将组成复合阳极的各层机加工成型，然后将各层依次叠放并在各层之间添加钎料进行真空热压焊接，最终得到复合阳极，由于复合阳极各层之间通过高温扩散连接，各层界面间过渡规则，界面清晰，保证了复合阳极的耐高温性能，与传统粉末冶金依次压制成型制备复合阳极相比，避免了装粉后因压制受力不均匀产生大量不规则凹凸、锯齿、椭圆形界面，从而缩小了复合阳极的动平衡偏差，提高了复合阳极的良品率。

上述的一种多层耐高温复合阳极的制备方法，其特征在于，步骤一中所述第一金属层与第二金属层的叠放面的表面粗糙度、第二金属层与第一金属层的叠放面的表面粗糙度、第二金属层与非金属层的叠放面的表面粗糙度ra≤1.6，所述非金属层与第二金属层的叠放面的表面粗糙度ra≤3.2。通过对上述叠放面的表面粗糙度的限定，有效减少了后续焊接过程中的杂质气体进入，有利于减小各层叠放面间的原子扩散距离，同时保证焊件结合面不产生孔隙。

上述的一种多层耐高温复合阳极的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一钎料为纳米粉末，所述纳米粉末为纳米钨粉或纳米钼粉，所述纳米粉末的粒度不超过200nm；所述添加第一钎料的方式为涂刷或涂膏，所述第一钎料的厚度不超过0.1mm。纳米粉末作为钎料具有高活性的特点，能在较低温度实现固相冶金，从而实现两基体的固相连接。本发明采用纳米钨粉或纳米钼粉作为第一钎料，有效提高了第一金属层与第二金属层之间的连接作用，同时避免引入杂质元素，保证了复合阳极高温洁净度和高温工作稳定性；采用涂刷或涂膏方式有利于第一钎料的均匀添加，将第一钎料的厚度控制为不超过0.1mm，既保证了第一金属层与第二金属层之间的稳固连接，又避免了第一钎料过厚形成的冶金孔隙不利于第一金属层与第二金属层之间的连接。

上述的一种多层耐高温复合阳极的制备方法，其特征在于，步骤三中所述第二钎料为石墨烯或超细石墨粉，所述第二钎料的粒度不超过1μm；所述添加第二钎料的方式为喷涂或涂膏，所述第二钎料的厚度不超过0.1mm。本发明采用具有较高活性的石墨烯或超细石墨粉作为第二钎料，效降低了扩散激活能，打通了扩散通道，诱导促使非金属层中的碳元素向第二金属层快速扩散，促进了第二金属层与非金属层之间的稳固连接；采用喷涂或涂膏方式有利于第二钎料的均匀添加，同时将第二钎料的厚度控制为不超过0.1mm，既保证了非金属层与第二金属层之间的稳固连接，又避免了以碳化物为主要成分的第二钎料层过厚呈现明显的脆性特征，对后续复合阳极的焊接强度和加工性能有不利影响。

上述的一种多层耐高温复合阳极的制备方法，其特征在于，步骤四中所述高温真空热压焊接的真空度不超过10^-1pa，压力为10mpa～30mpa，温度为1700℃～2000℃，保温时间为1h～3h，所述高温真空热压焊接的升温速率为5℃/min～10℃/min，保温后的降温速率不大于15℃/min。通过较严格的真空度要求，保证高温真空热压焊接过程中焊缝存在的o、n及反应产生的氧化气体的有效排出，提高了复合阳极的质量；高温真空热压焊接的温度和压力保证了第一金属层与第二金属层之间、第二金属层与非金属层之间的扩散效果，同时远高于复合阳极服役温度1300℃的焊接温度，有效避免了复合阳极服役过程中出现液相、相变的问题；上述高温真空热压焊接的真空度、压力、温度、保温时间和升降温速率相互匹配，最终实现了高温真空热压焊接过程的顺利进行。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明先根据目标产物复合阳极将组成复合阳极的各层机加工成型，然后将各层依次叠放并在各层之间添加钎料进行真空热压焊接，最终得到复合阳极，由于复合阳极各层之间通过高温扩散连接，各层界面间过渡规则，界面清晰，保证了复合阳极的耐高温性能，与传统粉末冶金依次压制成型制备复合阳极相比，避免了装粉后因压制受力不均匀产生大量不规则凹凸、锯齿、椭圆形界面，从而缩小了复合阳极的动平衡偏差，提高了复合阳极的良品率。

2、本发明以纳米钨粉或纳米钼粉作为第一金属层和第二金属层之间连接的第一钎料，由于上述纳米粉末具有高活性的特点，能在较低温度下实现固相冶金，从而有效降低了第一金属层和第二金属层之间的冶金温度，提高了后续真空热压焊接的效率，同时由于上述纳米粉末的成分与第一金属层或第二金属层的成分相同，不引入低熔点的元素，也不引入可能产生共晶降熔的元素，有效保证了复合阳极的高温洁净度和高温工作稳定性，从而延长了复合阳极的寿命。

3、本发明以活性石墨烯或活性超细石墨粉作为第二金属层与非金属层之间连接的第二钎料，在后续真空热压焊接的高温高压条件下，活性石墨烯或活性超细石墨粉与第二金属层中的钼或钼合金发生反应，通过间隙扩散机制c元素扩散入第二金属层基体晶体内部，同时通过快速通道扩散机制c元素扩散入第二金属层基体晶界、孔隙等微观缺陷部位，快速打开扩散通道起到诱导扩散作用，使非金属层能快速与第二金属层形成扩散连接，实现非金属层与第二金属层的有效连接，且无新元素的添加，不引入杂质，有效保证焊接面的焊接强度。

4、本发明在高温真空热压焊接过程中，兼顾第一金属层与第二金属层、第二金属层与非金属层的焊接温度，采用1700℃以上高温，采用特定压力、升降温速率和保温时间进行焊接，焊接温度远高于复合阳极服役温度(1300℃)，有效保证了复合阳极的高温使用性能；而高温真空热压焊接采用的压力和保温时间解决了焊接过程驱动力不足、界面孔隙等引起的不扩散或扩散不够，从而影响焊接强度等问题，采用的升降温速率提高了焊接过程中焊接强度，避免焊缝产生开裂，有效保证了复合阳极的焊合性。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1中的复合阳极预焊件的真空热压焊接示意图。

图2是本发明实施例1中的复合阳极中mo-c二元合金相图。

图3是本发明实施例1制备得到的复合阳极的局部剖面图。

图4是本发明实施例2中的复合阳极预焊件的真空热压焊接示意图。

附图标记说明

1—第一金属层；2—第二金属层；3—非金属层；

4—第一钎料；5—第二钎料；6—焊接工装。

具体实施方式

实施例1

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据目标产物复合阳极取直径为110mm、厚度为10mm的钨圆板进行机加工得到第一金属层1，并将其与第二金属层的叠加面抛光至粗糙度ra＝1.6，取直径为110mm、厚度为10mm的钼圆板进行机加工得到第二金属层2，并将其上下表面抛光至粗糙度ra＝1.6，取直径为110mm、厚度为40mm的三高石墨圆盘进行机加工得到非金属层3，并将其表面抛光至粗糙度ra＝3.2，然后从上到下依次叠放；

步骤二、将第一钎料4调至膏状涂抹在第二金属层2的上表面，并控制涂抹厚度为0.1mm；所述第一钎料4采用粒度为200nm的纳米钼粉；

步骤三、将第二钎料5喷涂在第二金属层2的下表面，并控制涂抹厚度为0.05mm，得到复合阳极预焊件；所述第二钎料5采用粒度为1μm的超细石墨粉；

步骤四、将步骤三中得到的复合阳极预焊件置于焊接工装6中进行真空热压焊接，如图1所示，图1中箭头表示压力f的方向，焊接后第二金属层和非金属层之间形成过渡层，经加工得到复合阳极；所述真空热压焊接的真空度为10^-1pa，压力为30mpa，温度为1700℃，保温时间为3h，所述真空热压焊接的升温速率为5℃/min，保温后的降温速率为15℃/min。

图2是本发明实施例1中的复合阳极中mo-c二元合金相图，从图2可以看出，c与mo有良好的反应区间和固溶区间，在碳含量为10wt％范围内mo-c二元合金中以moc、β固溶体、β’固溶体、β”固溶体为主要产物，该产物组成为钼与石墨结合提供良好的理论基础。

图3是本实施例制备得到的复合阳极的局部剖面图，从图3可以看出，本实施例制备得到的复合阳极外观良好，钨层与钼层的结合层平整清晰，钼层与石墨层的结合层之间存在过渡层，钼层与石墨层之间的过渡良好，界面平整清晰。

经检测，本实施例制备得到的复合阳极在1600℃高温除气无异常挥发，母材组织无明显变化，无异常长大，无杂质污染，界面无明显孔隙，去重前动平衡量为1.3g.cm，动平衡性能良好。

实施例2

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据目标产物复合阳极取直径为110mm、厚度为10mm的钨铼合金圆板进行机加工得到环形的第一金属层1，并将其与第二金属层的叠加面抛光至粗糙度ra＝0.8，取直径为110mm、厚度为40mm的tzm圆板进行机加工得到第二金属层2，并将其上下表面抛光至粗糙度ra＝0.8，取直径为110mm、厚度为40mm的三高石墨圆盘进行机加工得到非金属层3，并将其表面抛光至粗糙度ra＝1.6，然后从上到下依次叠放；

步骤二、将第一钎料4调至膏状涂抹在第二金属层2的上表面，并控制涂抹厚度为0.05mm；所述第一钎料4采用粒度为100nm的纳米钨粉；

步骤三、将第二钎料5调至膏状涂抹在第二金属层2的下表面，并控制涂抹厚度为0.1mm，得到复合阳极预焊件；所述第二钎料5采用粒度为0.2μm的石墨烯；

步骤四、将步骤三中得到的复合阳极预焊件置于焊接工装6中进行真空热压焊接，如图4所示，图4中箭头表示压力f的方向，焊接后第二金属层和非金属层之间形成过渡层，经加工得到复合阳极；所述真空热压焊接的真空度为10^-2pa，压力为20mpa，温度为1900℃，保温时间为1.5h，所述真空热压焊接的升温速率为6℃/min，保温后的降温速率为10℃/min。

经检测，本实施例制备得到的复合阳极在1600℃高温除气无异常挥发，母材组织无明显变化，无异常长大，无杂质污染，界面无明显孔隙，去重前动平衡量为1.4g.cm，动平衡性能良好。

实施例3

本实施例的制备方法包括以下步骤：

步骤一、根据目标产物复合阳极取直径为150mm、厚度为10mm的钨铼合金圆板进行机加工得到环形的第一金属层1，并将其与第二金属层的叠加面抛光至粗糙度ra＝0.8，取直径为150mm、厚度为30mm的tzm圆板进行机加工得到第二金属层2，并将其上下表面抛光至粗糙度ra＝0.8，取直径为150mm、厚度为60mm的三高石墨圆盘进行机加工得到非金属层3，并将其表面抛光至粗糙度ra＝1.6，然后从上到下依次叠放；

步骤二、将第一钎料4调至乳状涂刷在第二金属层2的上表面，并控制涂抹厚度为0.05mm；所述第一钎料4采用粒度为100nm的纳米钨粉；

步骤三、将第二钎料5调至膏状涂抹在第二金属层2的下表面，并控制涂抹厚度为0.1mm，得到复合阳极预焊件；所述第二钎料5采用粒度为0.5μm的超细石墨粉；

步骤四、将步骤三中得到的复合阳极预焊件置于焊接工装6中进行真空热压焊接，如图4所示，图4中箭头表示压力f的方向，焊接后第二金属层和非金属层之间形成过渡层，经加工得到复合阳极；所述真空热压焊接的真空度为10^-2pa，压力为10mpa，温度为2000℃，保温时间为1h，所述真空热压焊接的升温速率为10℃/min，保温后的降温速率为10℃/min。

经检测，本实施例制备得到的复合阳极在1600℃高温除气无异常挥发，母材组织无明显变化，无异常长大，无杂质污染，界面无明显孔隙，去重前动平衡量为2.7g.cm，动平衡性能良好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。