СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНОДА РЕНТГЕНОВСКОЙ ТРУБКИ
METHOD FOR MANUFACTURE OF X-RAY TUBE ANODE

Настоящее изобретение относится к рентгенотехнике, а более конкретно к вращающимся анодам рентгеновских трубок (РТ), применяемых, например, в медицинской диагностике.
Аноды для мощных рентгеновских трубок, используемых в медицинской и других областях техники, как правило, выполняют из подложки (основного корпуса) и мишени на основе вольфрама. Основной проблемой при изготовлении и эксплуатации таких анодов является образование трещин на фокусной дорожке из-за существенной неравномерности ее нагрева, а также за счет разницы коэффициентов термического расширения материалов основы анода и его мишени. Это приводит к уменьшению мощности рентгеновского излучения и, как следствие, уменьшению ресурса анода. Решить эту проблему различные авторы пытаются путем подбора соответствующих материалов мишени и подложки анода, а также совершенствованием способов их изготовления.
Так, известен анод рентгеновской трубки, содержащий листовое и прессованно-спеченное анодное тело, мишенью анода служит слой, изготовленный из вольфрамового сплава, подложка содержит два слоя, первый слой содержит чистый вольфрам или сплав с высоким содержанием вольфрама, второй слой состоит из молибденового сплава (См. Патент Великобритании, № 1422461, НКИ H1D, опубл. 28.01.76). Недостатком такого анода является разрушение материалов мишени и подложки (появление трещин) в зоне фокусной дорожки при больших мощностях эксплуатации, происходящее из-за уменьшения теплопроводности. Все это снижает надежность работы анода.
Известен анод РТ, состоящий из 3-х слоев, верхний из которых (мишень) выполнен из поликристаллического вольфрамового сплава, например вольфрам-рений, следующий за ним промежуточный слой - из вольфрама или вольфрамового сплава с более низким значением предела текучести, чем у первого слоя, а последний слой (подложка) - из молибдена или молибденового сплава (СМ. Патент США № 4331902, НКИ 313/330, опубл. 25.05.82 г.). Реализация указанного технического решения позволяет повысить стойкость материала фокусной дорожки к растрескиванию в условиях термоциклирования при рабочих температурах за счет выбора оптимального соотношения прочностных характеристик мишени и промежуточного слоя между мишенью и подложкой. Сложность этой конструкции предопределяет ее высокую стоимость. Эта конструкция реализуется методом порошковой металлургии и поэтому анод содержит повышенное содержание газообразующих примесей, что ставит проблему поддержания высокого вакуума в РТ при длительном ресурсе.
Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, при изготовлении которого на несущий слой молибдена наносят посредством штамповки с быстрой деформацией слой-мишень из вольфрама, после чего с помощью высокотемпературного напыления увеличивают толщину несущего слоя до уровня, достаточного для обеспечения хорошего теплоотвода при работе на больших мощностях (См. Патент США № 4641333, НКИ 378-144, заявл. 09.09.85 г.) Однако этот анод также достаточно сложен в изготовлении, отличается высокой нагрузкой на подшипники при вращении анода и, как следствие, снижает ресурс трубки.
Известен вращающийся анод рентгеновской трубки, который содержит вольфрамовую мишень и титановый корпус, который за счет низкого удельного веса облегчает работу узла вращения анода (См. Заявка Франции № 2592987, МПК H01J 35/10, заявл. 10.01.86 г.).
Однако такой анод не позволяет эффективно охлаждать зону фокусной дорожки из-за низкой теплопроводности титана, что при работе анода на больших мощностях может привести к перегреву области титанового корпуса, прилегающей к зоне фокусной дорожки.
Известен анод (См. Патент РФ № 2158453, МПК H01J 35/10, заявл. 25.04.97 г.), в котором для увеличения срока службы и повышения нагрузочной способности вращающего анода основной корпус выполняют из двух или более слоев, один из которых титан, а другой(ие) слои, прилегающие к мишени - из материалов, теплопроводность которых составляет не менее 0.8 от теплопроводности материала мишени (вольфрама или молибдена), например, из молибдена или его сплавов. В описании к изобретению дан пример конкретного выполнения анода из титана, молибдена и мишени из вольфрама, которую на рабочую поверхность анода предлагают наносить из парогазовой фазы. Анод такой конструкции является наиболее предпочтительным для использования в мощных РТ. К недостаткам такого анода можно отнести проблемы, возникающие при его изготовлении.
Известен также анод, в котором мишень и/или слой (слои) подложки выполнены монокристаллическими. При этом в одном из вариантов описанной конструкции мишень выполняют из вольфрама или его сплава, например с рением, слой подложки, прилегающий к мишени, выполняют из вольфрама, второй слой подложки выполняют из материала с большей, чем у первого слоя, удельной поверхностью, например из титана. Изготавливать такие аноды рекомендуют известными методами пайки слоев основания (подложки) и нанесением мишени из вольфрама из парогазовой фазы (См. заявка PTC/RU 99/0316 от 02 сентября 1999 г., МПК H01J 35/10). Недостатком предлагаемого анода является сложность его изготовления.
В настоящее время в большинстве случаев аноды рентгеновских трубок изготавливают в основном способом порошковой металлургии, при котором подложку и мишень формируют из порошковых материалов совместно или по отдельности с последующим прессованием и термической обработкой, например спеканием. Либо материал мишени наносят на подложку, изготовленную прессованием или литьем, методом химического или физического осаждения из газовой фазы тугоплавких материалов с последующим проплавлением области фокусной дорожки (См., например, Патент Австрии № 397005, МПК H01J 35/10, заявл. 07.05.1991 г.; Заявка ЕПВ № 0874385, МПК H01J 35/10, заявл. 17.04.1998).
Однако при изготовлении анодов РТ известными способами между покрытием и подложкой получается резкая граница. Наличие пор и различных структурных дефектов на этой границе снижает ее прочность, в результате чего долговечность анода при циклическом тепловом нагружении ограничивается разрушением этой границы. Кроме того, использование токсичных материалов (фторидов вольфрама и рения) при получении покрытий методом химического осаждения из газовой фазы в аварийных ситуациях приводит к нарушению экологии. Необходимо отметить также, что при изготовлении многослойных анодов часто сталкиваются с проблемой соединения пар металлов (слои подложки, подложка - мишень, слои мишени), которые разными авторами решаются различными путями.
Известны методы соединения титана с металлами, а также молибдена с вольфрамом диффузионной сваркой. Диффузионная сварка как метод соединения разнородных материалов имеет ряд преимуществ перед методами, указанными выше, и дает при определенных условиях прочные соединения, которые применяют в сложных и ответственных конструкциях (См. Н.Ф.Казаков Диффузионная сварка материалов, стр.185-200). Описаны режимы диффузионной сварки титана с некоторыми металлами и сплавами, а также молибдена и вольфрама, молибдена и вольфрамрениевого сплава. Для повышения прочности сварку этих материалов проводили через различные промежуточные слои материалов (никель, тантал, молибден и т.п.)
Однако технологии соединения многослойной композиции титан-молибден-вольфрам, которая наиболее предпочтительна при изготовлении мощных вращающихся анодов рентгеновских трубок и которую можно было бы непосредственно использовать для создания анодов на основе указанной композиции или использовать в качестве ближайшего аналога (прототипа) из предшествующего уровня техники, авторами не выявлено.
Технической задачей изобретения является создание способа изготовления анода на основе титана-молибдена-вольфрама, устраняющего недостатки известных способов, обеспечивающего повышенную надежность и повышенный ресурс конструкции анода.
2
2
Техническая задача решается тем, что способ изготовления анода рентгеновской трубки включает изготовление подложки из титана или его бета-сплавов в форме конического диска или в форме конического диска с кольцевой проточкой, выполненной в месте расположения фокусной дорожки, размещение на поверхности конического диска или в кольцевой проточке последовательно слоями пластин молибдена и мишени, при этом между поверхностью подложки из титана или его бета-сплавов и пластины из молибдена, между пластиной из молибдена и мишенью устанавливают промежуточные слои, после чего собранную конструкцию размещают в вакуумной камере, прикладывают нагрузку и подвергают термической обработке, которую проводят в два этапа, первоначально для установления угла пластин молибдена и мишени, равного углу подложки, от 12° до 18°, затем для обеспечения соединения слоев, при этом на первом этапе осуществляют нагрев до температуры 600С° и выдерживают под нагрузкой 0,5 кг/мм в течение 5 минут, затем продолжают нагрев до температуры 0.6-0.8 от температуры плавления наиболее легкоплавкого материала в сборке и выдерживают в течение времени от 10 до 180 минут, увеличив нагрузку до от 0.5 до 5 кг/мм, сборную конструкцию охлаждают до 150С° извлекают изделие и осуществляют контроль качества, причем промежуточные слои формируют из материалов с температурой плавления ниже или выше максимальной температуры процесса термообработки, а наложение нагрузки осуществляют пуансоном, выполненным из рения.
В качестве материала мишени используют, по крайней мере, или монокристаллический вольфрам, или вольфрам-рений или вольфрам-тантал.
На поверхности мишени размещают слой порошка из рения.
В качестве материалов промежуточных слоев используют, по крайней мере, или медь, или никель, или тантал, или молибден, или ниобий, или хром или их сплавы.
Промежуточные слои выполняют многослойными, например, никель-медь-никель.
Промежуточные слои формируют или плазменным, или детонационным, или гальваническим или испарения - конденсации в вакууме методами.
Промежуточные слои формируют, по крайней мере, в виде фольги или порошков.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема анода, на фиг.2 - схема анода с кольцевой проточкой.
Анод для рентгеновской трубки представляет собой подложку 1 в виде конического диска (см. фиг.1), выполненную из титана или его сплавов. На конической поверхности подложки 1 размещают слоями пластины из молибдена 2 и мишени 3. Между поверхностью подложки 1 и пластиной из молибдена 2 и между пластиной из молибдена 2 и мишенью 3 устанавливают промежуточные слои 4.
На конической поверхности подложки 1 в месте расположения фокусной дорожки может быть выполнена проточка 5. В этом случае пластины из молибдена 2, мишень 3 и промежуточные слои 4 размещают внутри проточки 5.
Мишень 3 может быть изготовлена или из монокристаллического вольфрама, или вольфрам-рения или вольфрам-тантала. Температуры плавления перечисленных металлов составляют 3416°C для вольфрама, 2580°C для молибдена, 3170°C для рения и 2996°С для тантала.
На поверхность мишени 3 может быть нанесен слой порошка из рения. Присутствие рения и тантала на поверхности вольфрама улучшает пластические свойства последнего при нагреве электронным пучком до температур, превышающих температуру начала рекристаллизации вольфрама.
Промежуточные слои 4 могут быть изготовлены из или меди, или никеля, или тантала, или молибдена, или ниобия, или хрома или их сплавов. Разница в коэффициентах термического расширения между молибденом и вольфрамом, при нагреве анода до рабочих температур, может достигать 30%. Это приводит к разрушению анода из-за возникновения термонапряжений. По этой причине применяются промежуточные пластичные слои, в которых состав металлов плавно меняется. Промежуточные слои 4 формируют, по крайней мере, в виде фольги или порошков.
Промежуточные слои 4 формируют или плазменным, или детонационным, или гальваническим или испарения - конденсации в вакууме методами. Нанесение покрытия плазменным методом наиболее технологически отработано, обеспечивает наилучшую адгезию, но установки для нанесения плазменного покрытия обладают высокой стоимостью. Метод детонационного покрытия отличается высокой производительностью и относительно невысокой стоимостью оборудования, не приводит к нагреву подложек до высокой температуры, обеспечивает удовлетворительную адгезию покрытий. Гальванические покрытия требуют тщательной подготовки материалов и отработанности технологии, не обеспечивают высокой адгезии, требуют дополнительной обработки для обеспечения высокой чистоты покрытий. Метод испарения - конденсации обеспечивает высокую чистоту покрытий, но малопроизводителен. Выбор того или иного метода нанесения покрытий зависит, в основном, от технических возможностей изготовителя и экономической целесообразности.
Промежуточные слои 4 выполняют многослойными, например, никель-медь-никель. Традиционно используют при диффузионной сварке материалы, позволяющие избежать образования интерметаллидов в зоне сварного соединения, между титаном и молибденом, молибденом и вольфрамом.
-4
-5
2
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Выполняют подложку из титана или его бета-сплавов диаметром 60-100 мм, подложке придают форму конического диска механическим путем с углом 12-17°. Размещают на подложке пластины из молибдена и мишень из вольфрама, а между ними тонкие фольги (толщиной 5-10 мкм) или порошки (с фракцией не более 5 мкм и толщиной слоя 5-10 мкм) из выбранных материалов промежуточных слоев, например никеля. Сборку помещают в вакуумную камеру, откачивают до остаточного давления 10-10 мм рт.ст., нагревают до температуры 800°С и прикладывают нагрузку 5 кг/мм. Дальнейший нагрев осуществляют до 950°С и выдерживают на режиме 30-100 минут.
2
На первом этапе термообработки выдерживают температуру 600°С (одинаково для всех сборок) и нагрузку 0,5 кг/мм для установления угла пластин молибдена и мишени из вольфрама, равного углу подложки, 12-17° (или 18°). 3атем (второй этап термообработки) осуществляют температурную обработку в вакууме и при наложении нагрузки при значениях указанных выше.
При выполнении в подложке проточки соответствующие слои молибдена и мишени из вольфрама и промежуточные слои размещают в проточке. И в дальнейшем осуществляют температурную обработку в вакууме и при наложении нагрузки при значениях, указанных выше.
Существо способа не меняется при использовании просто подложки и подложки с проточкой.
Изделия диаметром 90 мм и высотой 15 мм на основе титана, молибдена и вольфрама имели высокое качество, так, металлографический анализ показал хорошее качество границ между подложкой и молибденом, а также между молибденом и мишенью: отсутствие трещин, протяженных пор, несплошностей.
Более детально существо предлагаемого способа раскрывается при помощи нижеприведенного примера конкретного выполнения.
-5
2
2
Из литого титана марки 4201 (бета-сплав с содержанием 33% молибдена) изготавливают конический диск диаметром 88 мм и с углом конуса, равным 14°. На этот диск последовательно накладывают фольгу из никеля НП-1 толщиной 10 мкм, лист молибдена МЧ толщиной 1,5 мм, фольгу из никеля толщиной 10 мкм, затем пластину из вольфрама (мишень) толщиной 0,4 мм. Эту сборку размещают в вакуумной камере и вводят в контакт с пуансоном нагруженного устройства. Создают вакуум 10 мм рт.ст., нагревают до 600°С, прикладывают нагрузку 0,5 кг/мм для формования пластин М-W до заданного угла, выдерживают 5 мин, затем повышают температуру до 970°С, увеличивают нагрузку до 5 кг/мм и выдерживают при данных условиях 30-100 минут. Затем охлаждают установку до 150°С, извлекают изделие и осуществляют контроль качества.
На основании многочисленных экспериментов выявлено, что предлагаемый способ изготовления анода рентгеновской трубки в комплексе лишен недостатков известных способов. Основные материалы мишени, молибден и промежуточные слои в виде листов после прокатки, а не изготовленные методом спекания порошков, и титан после плавки обеспечивают практически их теоретическую плотность и, как следствие, низкое газоотделение.
Кроме того, выполнение мишени из материалов (молибден и вольфрам) с практически теоретической плотностью повышает ресурс рентгеновской трубки за счет высокой трещиностойкости. С учетом этого выполнение подложки из титана,
материала с высокой теплоемкостью и степенью черноты, приводит к комплексу более высоких эксплуатационных характеристик рентгеновских трубок (мощности, ресурса, газоотделения) по сравнению с известными.
2
Сам способ наиболее прост по сравнению с известными, поскольку реализуется при сравнительно низких температурах 1000-1200°С, невысоких нагрузках 0,5-5 кг/мм, непродолжительном времени 30-100 минут, и также позволяет за один процесс производить несколько изделий.
Таким образом, предлагаемый способ изготовления анодов рентгеновских трубок позволяет изготовить комбинированный вольфрам-молибденовый с титановым корпусом анод облегченной конструкции, что положительно влияет на работоспособность подшипников, удешевляет его изготовление, уменьшает газоотделение внутри прибора, позволяет увеличить удельную электрическую мощность анода и увеличить ресурс изделия.