CN103660654A - 二维准直器元件及制造二维准直器元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造二维准直器元件的方法。该方法包括以下步骤：提供金属粉末，粉末中钨的体积百分含量为50-70％，余量为镍；以及通过激光打印成型技术一层一层地用所述金属粉末制造二维准直器元件。

Description

二维准直器元件及制造二维准直器元件的方法

技术领域

本发明涉及一种二维准直器元件及制造二维准直器元件的方法。

背景技术

准直器（collimator）是一种用来将粒子束或波束变窄，以使其运动方向与特定方向更加对齐或使其横截面积变小的装置。准直器被广泛地应用于放射线疗法中，用来阻挡辐射光束中的某些部分，以实现治疗部位强度调制。比如，二维准直器可用于计算机断层扫描（computed tomography，CT）中，用来减少x射线散射，从而提高图像对比度和可读性。这类型的准直器通常包括许多由辐射吸收材料构成的壁，在壁之间形成一些可让需要的x射线通过的通道。这样，通过准直器的使用，使得只有路线和这些通道平行和大致平行的x射线才能通过准直器到达电子元件上获得图像，而其余的x射线撞击到准直器的壁上被吸收，这样便可形成清晰的图像。

准直器一般需要用对x射线和γ射线具有强吸收能力的高熔点高密度的金属和合金，如钼、钨、钽或其合金等材料制造而成。此外，准直器可能通常还有形状方面的特定要求，比如，可能会要求准直器的壁厚很薄。基于材料和形状方面的这些要求，使得准直器的制造很难或者甚至不可能通过传统的铸造或焊接技术来实现。

近年来，快速成型技术逐渐被用于直接制造金属的准直器。在一些情况下，可能会向用于制造准直器的高熔点高密度金属或合金中添加粘合剂以提高其成型能力，其中，所用的粘合剂包括非金属性的粘合剂，如尼龙和硅酸盐等，也包括金属性的粘合剂，如铁和镍等。比如，在通过激光涂覆法用钨来制造准直器时，可添加镍作为钨的粘合剂，通过激光将与激光同轴输送的钨-镍混合粉末涂覆成型。然而，当钨-镍混合粉末中的镍含量较低时，粉末的成型能力较差，因而在沿垂直方向逐层涂覆混合粉时，后一涂层无法保持前一涂层的宽度，会导致产生三角形的形状。这就要求混合粉末中具有较高的镍含量（比如，镍的质量百分含量高于40%），来保证激光涂覆成型过程中的成型能力。一般而言材料中的镍含量越高，其对射线吸收能力就越弱，因此这样高的镍含量可能导致准直器对射线的吸收能力不足，需要增加壁的厚度来增强壁的吸收能力。然而，增加壁的厚度会减少可让x射线通过的有效区域面积，从而降低准直器的效率，可能导致通过准直器的x射线不足，难以形成清晰的图像。

发明内容

本发明涉及一种制造二维准直器元件的方法，该方法包括以下步骤：提供金属粉末，粉末中钨的体积百分含量为50-70%，余量为镍；以及通过激光打印成型技术一层一层地用所述金属粉末制造二维准直器元件。

本发明还涉及一种通过激光打印成型技术用金属粉末一层一层制造而成的二维准直器元件，其中钨的体积百分含量为50-70%，余量为镍。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1显示了一个示例性的栅格状整体结构的二维准直器元件。

图2为显示了激光打印成型钨粉和镍粉混合物的过程的示意图。

图3为显示了激光打印成型镀镍钨粉过程的示意图。

图4（a）显示了实例1中的两个样品，图4（b）显示了其中一个样品的一部分的显微结构。

图5（a）和图5（b）分别显示了实例1中的两个样品的显微结构，其所用的比例尺比图4（b）中的更大。

图6（a）显示了实例2中的样品，图6（b）显示了该样品的一部分的显微结构。

图7（a）显示了实例3中的样品，图7（b）显示了该样品的一部分的显微结构。

图8（a）显示了实例4中所用的镀镍的钨粉，图8（b）显示了实例4中所获得的样品，图8（c）显示了该样品的一部分的显微结构。

图9（a）显示了实例5中的样品，图9（b）显示了该样品的一部分的显微结构。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

本发明涉及一种用来制造二维准直器元件的方法，使得获得的准直器元件具有薄壁结构，且具有足够的射线吸收能力以形成清晰的图像。所述薄壁足够薄以保证有足够的所需的x射线通过所述准直器元件，同时该薄壁也具有很强的射线吸收能力以吸收不需要的x射线（干扰射线），从而有效减少干扰射线的干扰。

如图1所示，一种示例性的二维准直器元件10为栅格状整体结构，其由垂直相交的两组平行壁11和12构成，该两组平行壁形成复数个射线通道13。所述通道13可让线路与其平行或接近平行的x射线通过，而干扰射线则被壁11和12吸收，不能通过所述准直器元件10。在图示的实施例中，所述射线通道13为方形。但实际上对于所述射线通道的具体形状并无特定要求，在其它实施例中，所述射线通道13也可以为任何其它合适的形状。

所述二维准直器元件是通过激光打印成型技术（laser printing technique）以金属粉末制造而成，该金属粉末中钨（W）的体积百分含量约在50%（对应质量百分含量为68.5%）到70%（对应质量百分含量为83.5%）之间，余量为镍（Ni）。其中所述金属粉末中的钨用作射线吸收金属，而镍用作低熔点金属粘合剂。更具体而言，所述二维准直器元件可由钨的体积百分含量在50%到65%（对应质量百分含量为80%）之间，或进一步地，在50%到60%（对应质量百分含量为76.5%）之间，或更进一步地，在50%到55%（对应质量百分含量为72.7%）之间，或更进一步地，在50%到52%（对应质量百分含量为70.2%）之间的，并以镍为余量的金属粉末制造而成。

在激光打印成型过程中以镍作为钨的粘合剂可以利用其熔点相对较低，与钨的焊接性较好的优势，提高激光打印成型过程中金属粉末的成型能力，并提高所获得的二维准直器元件的机械性能。激光打印成型技术可以用所述金属粉末获得薄壁（比如，壁厚小于300微米或250微米的壁）准直器元件，同时所用的金属粉末中的钨含量又足以保证获得的准直器元件的射线吸收能力。

所述金属粉末可包括粒子尺寸在5微米到40微米范围内的各种尺寸的粉末，且其可以是不同的粉末形式，包括：钨粉和镍粉的混合物（钨-镍混合粉）、表面镀镍的钨的粉末、和钨-镍合金的粉末（钨-镍合金粉）。本文所用的“粒子尺寸”是指与特定粒子具有相同体积的球体的直径。

钨-镍混合粉可根据其具体的组分百分含量用纯钨粉和纯镍粉通过机械混合的方法获得。其中钨粉可具有小于20微米的各种粒子尺寸，镍粉可具有近似于钨粉的或是更小的粒子尺寸。在一些实施例中，钨粉具有约在6微米到15微米之间的各种粒子尺寸，而镍粉具有10微米左右或小于10微米，或进一步地，约在6微米到10微米之间的各种粒子尺寸。

镀镍的钨粉可通过各种已知的涂敷技术在钨粉的表面形成镍镀层而获得，其中适用的方法包括但不限于，化学镀（chemical plating）、水热氢还原法（hydrothermal hydrogen reduction）、化学气相沉积（chemical vapor deposition,CVD）以及物理气相沉积（physical vapor deposition,PVD）。在一些实施例中，可以在粒子尺寸约为6微米到15微米的纯钨粉上形成厚度约在1微米到2微米的镍镀层。因此，所获得的镀镍的钨粉具有约在7微米到17微米之间的各种粒子尺寸。

钨-镍合金粉可通过化学反应或者机械合金化的方法获得。各粉末颗粒可能具有大致相同的冶金组分。钨-镍合金粉可具有约在5微米到15微米之间的各种粒子尺寸。

所述二维准直器元件是通过激光打印技术由所述金属粉末制得的。所述激光打印技术是一种增材成形技术（additive manufacturing technology），通过逐层地熔化固结材料获得三维产品。在通过激光打印技术制造二维准直器元件的过程中，先设计出所需二维准直器元件的3D CAD模型，然后将模型数据转化为激光打印成型的参数并用来设立打印成型的路径，再基于该路径实行激光打印成型。一般地，所述激光打印制造二维准直器元件的过程包括以下步骤：（a）在制造平台（build platform）上铺覆一层金属粉末；（b）用激光束对所述金属粉末层进行扫描，将所述金属粉末固结；（c）使所述制造平台下降一定距离；以及（d）重复步骤（a）到（c）。

在步骤（a）中，金属粉末可通过供粉装置提供，并通过粉末撒布装置、刮粉刀或轧辊等装置铺覆于制造平台上。粒子尺寸在5微米到40微米之间的金属粉末的使用使得成形薄壁成为可能，形成如壁厚小于300微米、250微米或200微米的薄壁。

在步骤（b）中，激光束的扫描速度可在约100毫米/秒到约500毫米/秒的范围内，或进一步地，在约100毫米/秒到约300毫米/秒的范围内。激光提供的能量被金属粉末吸收，可能导致粉末颗粒的熔化、溶解和（或）烧结。

如图2所示，在金属粉末为钨-镍混合粉的情况下，镍粉吸收了激光能量后可全部熔化，形成粘结相，至少部分地围绕未熔化的钨粉。钨粉中靠近熔融的镍的部分溶解到镍中，形成钨-镍化合物。因此，未被完全溶解的钨的颗粒至少部分被钨-镍化合物（如WNi4）和少量以Ni（W）的形式存在的镍包围，冷却后，钨颗粒分布于重新凝固的钨-镍基体（W-Ni matrix）中。由于镍与钨具有很强的焊接性，在所述钨-镍基体和钨颗粒之间可形成冶金结合。

如图3所示，在金属粉末为镀镍钨粉的情况下，其在激光打印成型过程中的成型原理与用钨-镍混合粉相似，但镀镍钨粉中的钨粉都被镍镀层包围，粉末中的镍分布更加均匀，因此在成型过程中可获得更好的焊接性，从而形成机械性能更好的准直器元件。在图2和图3中，钨粉、镍粉和（或）镀镍的钨粉是以球形颗粒表示的，但实际上，这些粉末并不必需是球形，也可以是任何其它合适的形状。

通过激光打印成型技术，可以用前述组分的金属粉末，无论是以钨-镍混合粉还是镀镍钨粉的形式，制造出具有很少的孔或者甚至是无孔的紧凑结构的准直器元件。所述具有紧凑结构的准直器元件中钨的体积百分含量与用来制造该元件的金属粉末中钨的体积百分含量大致相同。比如，用钨的体积百分含量约为50-70%的钨-镍混合粉制造准直器元件，所制得的准直器元件中钨的体积百分含量也近似为50-70%。准直器元件中钨的体积百分含量为50%左右或更高时，可认为其射线吸收能力是满足需要的，比如，足以确保形成清晰的图像。

在金属粉末为钨-镍合金粉的情况下，激光打印成型过程更像一个烧结的过程。钨-镍合金粉末颗粒在其表面处被激光部分熔化，颗粒间通过其表面熔化部分连接，冷却后，形成烧结结构。钨-镍合金粉激光打印成型后形成的结构中存在一定数量的孔，比用钨-镍混合粉或镀镍钨粉所形成的结构更为松散。此外，由于所述孔的形成，最终获得的准直器元件中钨的体积百分比可能与用来制造该元件的金属粉末中钨的体积百分比不同。

所述二维准直器元件成型后，还可能对其进行一定的后处理。可适用的后处理工艺包括但不限于退火、喷沙处理、机械抛光、磨料流加工、磁力抛光、电化学加工和化学腐蚀等。

实例1

在本实例中，用的是钨的体积百分比为50%，镍的体积百分比为50%的钨-镍混合粉。该混合粉是以粒子尺寸在6微米到15微米的纯钨粉和粒子尺寸为10微米左右的镍粉通过机械混合法制备而成。在激光功率为100-300瓦，铺层厚度（在激光打印成型过程中逐层铺覆材料用来形成目标物体时，铺覆的各层材料层的厚度）为0.01-0.04毫米的条件下，分别以100毫米/秒和300毫米/秒的扫描速度获得了两个10x10像素（pixel）的准直器样品，其照片显示于图4（a）中。另外还通过光学显微镜观测样品的显微结构，并在图4（b）中显示了其中一个样品的一部分的显微结构。在图5（a）和5（b）中，用比图4（b）更大的比例尺分别显示了所述两个样品的显微结构。如图所示，所获得的样品具有薄且均匀的壁厚，并具有形态良好的无裂纹结构，这样的结构可保证样品具有足够的机械强度。

实例2

在本实例中，用的是钨的体积百分比为60％，镍的体积百分比为40%的钨-镍混合粉。该混合粉通过与实例1中相同的方法制备而成。在与实例1中相同的条件下，以250毫米/秒的扫描速度获得了一个2x2像素的准直器样品，其照片显示于图6（a）中。图6（b）中显示了该样品的一部分的显微结构。如图所示，所获得的样品具有薄且均匀的壁厚和形态良好的无裂纹结构。

实例3

在本实例中，用的是钨的体积百分比为70％，镍的体积百分比为30%的钨-镍混合粉。该混合粉通过与实例1中相同的方法制备而成。用与实例2相同的工艺获得了一个2x2像素的准直器样品，其照片显示于图7（a）中。图7（b）中显示了该样品的一部分的显微结构。如图所示，所获得的样品具有均匀的壁厚和无裂纹结构。

实例4

在本实例中，用的是如图8（a）所示的镀镍的钨粉，其中钨的体积百分比为65％，镍的体积百分比为35％。该镀镍的钨粉是用水热氢还原法制备而获得的。在与实例1中相同的条件下，以600毫米/秒的扫描速度获得了一个2x2像素的准直器样品，其照片显示于图8（b）中。图8（c）中显示了该样品的一部分的显微结构。如图所示，所获得的样品具有薄（小于200微米）且均匀的壁厚和无裂纹结构。

实例5

在本实例中，用的是钨的体积百分比为80％，镍的体积百分比为20%的钨-镍合金粉。用与实例2相同的工艺获得了一个2x2像素的准直器样品，其照片显示于图9（a）中。图9（b）中显示了该样品的一部分的显微结构。如图所示，所获得的样品具有无裂纹结构，但其结构较为松散。由于孔的形成，所获得的样品中钨的整体体积比变为60%左右。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种制造二维准直器元件的方法，其包括：

提供金属粉末，该粉末中钨的体积百分含量为50-70%，余量为镍；以及

通过激光打印成型技术一层一层地用所述金属粉末制造二维准直器元件。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末中钨的体积百分含量为50-65%，余量为镍。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末中钨的体积百分含量为50-60%，余量为镍。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末中钨的体积百分含量为50-55%，余量为镍。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末为钨粉和镍粉的混合物或镀镍的钨粉，且所述金属粉末的粒子尺寸约在5微米到40微米之间。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末为钨粉和镍粉的混合物。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述钨粉的粒子尺寸约在6微米到15微米之间，镍粉的粒子尺寸约为10微米或更小。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述金属粉末为镀镍的钨粉。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述钨粉的粒子尺寸约在6微米到15微米之间，镍镀层的厚度约在1微米到2微米之间。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述镀镍的钨粉的粒子尺寸约在7微米到17微米之间。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述制造包括以下步骤：

a）在制造平台上铺覆一层金属粉末；

b）用激光束对所述金属粉末层进行扫描，将所述金属粉末固结；

c）使所述制造平台下降一定距离；以及

d）重复步骤a）到c）。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述激光束扫描的速度约在100毫米/秒到600毫米/秒之间。

13.如权利要求11所述的方法，其中所述激光束扫描的速度约在100毫米/秒到300毫米/秒之间。

14.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：对所述二维准直器元件进行喷沙处理。

15.一种通过激光打印成型技术用金属粉末一层一层制造而成的二维准直器元件，其中钨的体积百分含量为50-70%，余量为镍。

16.如权利要求15所述的二维准直器元件，其中钨的体积百分含量为50-65%，余量为镍。

17.如权利要求15所述的二维准直器元件，其中钨的体积百分含量为50-60%，余量为镍。

18.如权利要求15所述的二维准直器元件，其中钨的体积百分含量为50-55%，余量为镍。

19.如权利要求15所述的二维准直器元件，其中所述用于制造二维准直器的金属粉末中钨的体积百分含量为50-70%，余量为镍。

20.如权利要求15所述的二维准直器元件，其为栅格状的整体结构。

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