CN109148240A - 用于ct球管的金属陶瓷管壳及其制备方法 - Google Patents

用于ct球管的金属陶瓷管壳及其制备方法 Download PDF

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Abstract

用于CT球管的金属陶瓷管壳及其制备方法，其特征在于采用颗粒尺寸3.0‑3.5μm的TiC粉、45‑60nm的TiN粉、2.5‑4.0μm的Ni粉、2.5‑4.0μm的Fe粉、1.5‑2.2μm的Mo粉、3.0‑3.5μm的C粉、2.0‑2.8μm的Ce2O3粉、2.0‑2.8μm的Cr3C2粉和50‑80nm的W粉配制合金粉末，并在合金粉末中加入适量多壁碳纳米管，经烧结成型后获得的金属陶瓷管壳具有良好的强韧性和优异的使用效果。

Description

用于CT球管的金属陶瓷管壳及其制备方法
技术领域
本发明公开了CT球管管壳及其制备方法，特别涉及用于CT球管的金属陶瓷管壳及其制备方法，属于医用材料技术领域。
背景技术
CT球管是医用CT产生x射线的重要且昂贵的耗材，其性能直接影响CT成像的质量，也影响CT机的使用费用，高热容量的CT球管是高性能CT的必备部件。为了提高CT球管性能，中国专利CN 2462856公告了一种可同时发射中心线相互平行的多个等质等量锥形有用X线束的多焦点旋转阳极CT球管，由高度真空的管壳内的阴极及与之对应的可高速旋转的阳极构成，其特征是阴极有n组灯丝沿一个方向排列，阳极靶体呈圆柱体状，靶面有与n组灯丝相对应的n个焦点面，靶体两端各有一转子，阳极旋转轴方向与n组灯丝排列方向平行。中国发明专利CN 101859677公开了一种外转子结构的CT球管，包括球管壳体(1)，所述球管壳体(1)内部两端分别设有阴极(2)、阳极靶(3)，所述外转子结构的CT球管还包括旋转装置，其特征在于：所述旋转装置包括定子(4)、转子(5)、固定轴(6)，所述转子(5)与所述阳极靶(3)连接，所述定子(4)设置在所述球管壳体(1)的外部并与所述转子(5)的位置相对应，所述转子(5)套在所述固定轴(6)外部，所述转子(5)与所述固定轴(6)之间设有若干滚珠(7)，所述转子(5)通过所述滚珠(7)与所述固定轴(6)可转动配合。所述转子(5)与所述固定轴(6)之间设有若干轴承(8)，所述转子(5)通过所述轴承(8)与所述固定轴(6)可转动配合。所述转子(5)与所述固定轴(6)之间设有两个轴承(8)。中国专利CN 203118900还公告了一种旋转阳极CT球管，包括:球管管芯，其为真空密封装置，包括金属球管壳体，连接于所述球管壳体内的阳极靶(3)，以及位于所述球管壳体内且与所述阳极靶(3)位置相对应的阴极(4)；球管支座(12)，其上设置冷却油入口及冷却油出口，所述球管管芯容放在所述球管支座(12)内部空腔内；驱动装置，其驱动所述球管壳体及连接在所述球管壳体上的阳极靶(3)转动；阴极静止装置，包括连接在所述阴极(4)上的第一磁铁(D及与所述第一磁铁(5)位置对应且连接在所述球管支座(12)上的第二磁铁(6)。该实用新型所述CT球管的阳极散热效果好，CT球管寿命长，旋转速度高。中国发明专利CN 105405731还公开了一种采用金属-陶瓷封接的CT球管，所述CT球管主要包括管壳，连接于所述管壳内的旋转阳极靶以及位于所述管壳内且与所述旋转阳极靶位置相对应的阴极；其中，旋转阳极靶通过轴承与管壳连接；所述管壳包括陶瓷段和金属段；陶瓷段主要起绝缘作用，分为阴极陶瓷段和阳极陶瓷段；阴极陶瓷段为带中心孔的圆柱形结构，其两端分别加工有环形凹槽，位于金属段内的一端环形凹槽的槽深小于位于金属段外的一端环形凹槽的槽深，且位于金属段外一端环形凹槽内侧的端面低于外侧的端面。所述CT球管采用金属-陶瓷封接，相较于金属-玻璃封接更牢固，气密性更好，并且与玻璃相比，氧化铝陶瓷的导热率高，承温高，吸热好。
由此可见，CT球管的关键件是管芯，包括阴极电子发射管、旋转阳极靶及管壳等。以往CT球管的管壳主要采用高强度玻璃制造，一是因为玻璃容易加工。二是在玻璃与金属封接技术上已相当成熟。但是，玻璃管壳机械强度低、脆性大，遇机械震动易碎裂。此外，玻璃管壳电气绝缘强度低，易受电气干扰，当受到散射电子轰击时，在玻璃管壳中将产生应力，并导致放电、跳火。玻璃管壳还存在高温软化点低，制造管子时加温不能太高，因而排气不彻底，导致X射线管真空度低，寿命短。金属陶瓷的机械强度数倍于玻璃，陶瓷管壳的结构较为牢固可靠。同时陶瓷在高温下的介质损耗小、绝缘强度高，有助于提高CT球管的电压和功率，重量可以减轻。金属陶瓷能耐700-1000℃的高温，可以提高CT球管的除气温度，延长CT球管的寿命。但是，普通CT球管的金属陶瓷管壳仍存在强度低，脆性大的不足，无法满足具有较高的热容量CT球管的使用要求。
发明内容
本发明的目的是通过改变金属陶瓷管壳的组成和制备工艺，实现金属陶瓷管壳强度和韧性的大幅度提高，使之可以用于高热容量CT球管，确保高热容量CT球管的安全、可靠使用。本发明用于CT球管的金属陶瓷管壳，可以通过以下具体工艺步骤来实现：
①先将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力60-65Pa，时间20-25分钟；等离子体处理时的气体为氢气；
②采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末；TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量的30-32％、7-8％、9-10％、32-35％、6.5-7.0％、1.2-1.3％、2.6-2.7％、4.5-5.0％和3.5-4.0％，合金粉末的总质量之和为100％；然后以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min，球磨18h后，将步骤①中经过双辉等离子处理后的碳纳米管加入球磨机内，碳纳米管加入量是球磨机内合金粉末质量分数的2.20-2.40％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在100-120℃烘干150-180分钟，得到干燥后的球磨粉末；
③将步骤②中干燥后的球磨粉末中，加入成型剂进行造粒，然后在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为120-125Mpa，保压时间为65-80s，然后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1405-1420℃，保温40-50分钟，炉冷至室温，即可获得用于CT球管的金属陶瓷管壳。
如上所述成型剂为石蜡、聚乙烯和硬脂酸中的任意一种，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的14-15％。
本发明采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末。主要是利用纳米TiN改性TiC基金属陶瓷，通过细化晶粒，获得高强度的超细Ti(C,N)基金属陶瓷。在Ti(C,N)基金属陶瓷中，碳含量直接影响各组成相的化学成分，当碳含量处于相平衡时，金属陶瓷组织中就只有碳化物和碳、氮化物。因此碳的加入量，一方面要确保形成Mo2C、WC和脱氧所需的碳量，使烧结后的组织处于粘结相和硬质相两相区内，另一方而还要使合金中碳化物有合适的碳含量，以获得较高的强韧性。碳含量过低或过高，都会使组织离开两相区而生成第三相，对于不同的原料粉末和Mo、W含量，一定条件下适当调整碳含量，可以获得综合力学性能良好的Ti(C,N)基金属陶瓷。在金属粉末中，加入2.6-2.7％的Ce2O3粉，除了可以细化Ti(C,N)基金属陶瓷外，还可以提高陶瓷致密性，有利于改善Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性能。Ce2O3粉加入量过多，会出现成分偏析，引起Ce元素分布不均匀，导致材料抗弯强度下降。为了使Ti(C,N)基金属陶瓷具有优异的性能，本发明中，TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量30-32％、7-8％、9-10％、32-35％、6.5-7.0％、1.2-1.3％、2.6-2.7％、4.5-5.0％和3.5-4.0％，合金粉末总质量分数之和为100％。
本发明为了使合金粉末混合均匀，采用球磨方法研磨，使合金粉末实现均匀分布。本发明以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min。本发明在球磨18h后，加入碳纳米管。为了增加碳纳米管与金属陶瓷基体间的界而结合力，需要对碳纳米管实施表面改性处理。本发明将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力60-65Pa，时间20-25分钟，等离子体处理时的气体为氢气。本发明中加入了球磨机内合金粉末质量分数2.20-2.40％的碳纳米管，由于多壁碳纳米管使用前放入双辉等离子炉中进行了等离子体处理，提高了碳纳米管与金属粉末的润湿性和分散性，可以被有效地分散，较少结团，以填充为主，导致烧结后的试样中孔隙较少，致密度较高。碳纳米管又有着与金刚石相当的极高硬度，起到较好的纤维增强作用，导致金属陶瓷硬度比未加碳纳米管的有所增加。此外，碳纳米管的加入对Ti(C,N)基金属陶瓷材料起到了较好的增韧作用，主要增韧机理为碳纳米管的拔出和桥联。在添加碳纳米管的Ti(C,N)基金属陶瓷中，当裂纹扩展遇到与裂纹扩展方向所成角度较大甚至垂直的碳纳米管时，裂纹受阻，由于碳纳米管强度大于Ti(C,N)基金属陶瓷基体，会产生碳纳米管的桥联和拔出，碳纳米管的桥联和拔出消耗了额外的能量，从而提高了金属陶材料的断裂韧性。
本发明在球磨机内加入碳纳米管，加入量是球磨机内合金粉末质量的2.20-2.40％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在100-120℃烘干150-180分钟，得到干燥后的球磨粉末，并在干燥后的球磨粉末中加入成型剂进行造粒。成型剂为石蜡、聚乙烯和硬脂酸中的任意一种，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的14-15％，并在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为120-125Mpa，保压时间为65-80s，可以确保CT球管的管壳压制过程中不开裂。最后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1405-1420℃，保温40-50分钟，炉冷至室温，即可获得性能优异的用于CT球管的金属陶瓷管壳。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1)本发明制备用于CT球管的金属陶瓷管壳，工艺简便；
2)本发明用于CT球管的金属陶瓷管壳中，不含价格昂贵的钴元素，大幅度降低了金属陶瓷管壳生产成本；
3)本发明金属陶瓷管壳显微组织细小，致密，具有优异的强韧性，其中抗弯曲度达到2250MPa以上，断裂韧性大于18MPa.m1/2，本发明金属陶瓷管壳，用于高热容量CT球管，具有优异的使用效果，使用寿命比常用的CT球管金属陶瓷管壳提高2倍以上，且使用和装配过程中无断裂、破碎现象出现，生产成本比常用的CT球管金属陶瓷管壳降低20％以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
用于CT球管的金属陶瓷管壳，具体制备工艺步骤如下：
①先将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力60Pa，时间25分钟；等离子体处理时的气体为氢气；
②采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末；TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量的32％、7.5％、9.5％、32％、6.8％、1.2％、2.7％、4.6％和3.7％，合金粉末的总质量分数为100％；然后以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min，球磨18h后，将步骤①中经过双辉等离子处理后的碳纳米管加入球磨机内，碳纳米管加入量是球磨机内合金粉末质量的2.20％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在100℃烘干180分钟，得到干燥后的球磨粉末；
③将步骤②中干燥后的球磨粉末中，加入成型剂进行造粒，成型剂为聚乙烯中，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的15％；然后在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为125Mpa，保压时间为65s，然后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1420℃，保温40分钟，炉冷至室温，即可获得用于CT球管的金属陶瓷管壳，力学性能见表1。
实施例2：
用于CT球管的金属陶瓷管壳，具体制备工艺步骤如下：
①先将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力65Pa，时间20分钟；等离子体处理时的气体为氢气；
②采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末；TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量的31.6％、7％、10％、32％、7.0％、1.2％、2.7％、4.5％和4.0％，合金粉末的总质量分数之和为100％；然后以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min，球磨18h后，将步骤①中经过双辉等离子处理后的碳纳米管加入球磨机内，碳纳米管加入量是球磨机内合金粉末质量的2.40％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在120℃烘干150分钟，得到干燥后的球磨粉末；
③将步骤②中干燥后的球磨粉末中，加入成型剂进行造粒，成型剂为硬脂酸，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的14％；然后在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为120Mpa，保压时间为80s，然后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1405℃，保温50分钟，炉冷至室温，即可获得用于CT球管的金属陶瓷管壳，力学性能见表1。
实施例3：
用于CT球管的金属陶瓷管壳，具体制备工艺步骤如下：
①先将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力62Pa，时间23分钟；等离子体处理时的气体为氢气；
②采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末；TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量的30％、8％、9％、34.1％、6.5％、1.3％、2.6％、5.0％和3.5％，合金粉末的总质量分数之和为100％；然后以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min，球磨18h后，将步骤①中经过双辉等离子处理后的碳纳米管加入球磨机内，碳纳米管加入量是球磨机内合金粉末质量的2.30％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在110℃烘干160分钟，得到干燥后的球磨粉末；
③将步骤②中干燥后的球磨粉末中，加入成型剂进行造粒，成型剂为石蜡，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的14-15％；然后在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为120Mpa，保压时间为70s，然后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1410℃，保温45分钟，炉冷至室温，即可获得用于CT球管的金属陶瓷管壳，力学性能见表1。
用于CT球管的金属陶瓷管壳力学性能
本发明制备用于CT球管的金属陶瓷管壳，工艺简便，且不含价格昂贵的钴元素，大幅度降低了金属陶瓷管壳生产成本。本发明金属陶瓷管壳显微组织细小，致密，致密度大于99％，具有优异的强韧性，其中抗弯强度达到2250MPa以上，断裂韧性大于18MPa.m1/2。本发明金属陶瓷管壳，用于高热容量CT球管，具有优异的使用效果，使用寿命比常用的CT球管金属陶瓷管壳提高2倍以上，且使用和装配过程中无断裂、破碎现象出现，生产成本比常用的CT球管金属陶瓷管壳降低20％以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (3)

1.用于CT球管的金属陶瓷管壳的制备方法，其特征在于，步骤如下：
①先将直径为25-35nm，长度为5-15μm的多壁碳纳米管放入双辉等离子炉中进行等离子体处理，双辉等离子处理时，选用的工作电压为380V，功率65W，压力60-65Pa，时间20-25分钟；等离子体处理时的气体为氢气；
②采用颗粒尺寸3.0-3.5μm的TiC粉、45-60nm的TiN粉、2.5-4.0μm的Ni粉、2.5-4.0μm的Fe粉、1.5-2.2μm的Mo粉、3.0-3.5μm的C粉、2.0-2.8μm的Ce2O3粉、2.0-2.8μm的Cr3C2粉和50-80nm的W粉配制合金粉末；TiC粉、TiN粉、Ni粉、Fe粉、Mo粉、C粉、Ce2O3粉、Cr3C2粉和W粉的加入量分别是合金粉末总质量的30-32％、7-8％、9-10％、32-35％、6.5-7.0％、1.2-1.3％、2.6-2.7％、4.5-5.0％和3.5-4.0％，合金粉末的总质量分数之和为100％；然后以球与合金粉末质量比为4:1的比例添加研磨球，放入行星式球磨机内，在无水乙醇介质中湿式混料，球磨机转速为280r/min，球磨18h后，将步骤①中经过双辉等离子处理后的碳纳米管加入球磨机内，碳纳米管加入量是球磨机内合金粉末质量的2.20-2.40％，并继续研磨1h，使之混合均匀；然后将混合均匀的球磨粉末，在100-120℃烘干150-180分钟，得到干燥后的球磨粉末；
③将步骤②中干燥后的球磨粉末中，加入成型剂进行造粒，然后在台式电动粉末压片机上，根据CT球管的管壳尺寸压制成形，压制压力为120-125MPa，保压时间为65-80s，然后在真空烧结炉中对压坯进行烧结；烧结工艺是：先随炉加热至980℃，保温30分钟；然后继续随炉加热至1405-1420℃，保温40-50分钟，炉冷至室温，获得用于CT球管的金属陶瓷管壳。
2.如权利要求1用于CT球管的金属陶瓷管壳的制备方法，其特征在于所述成型剂为石蜡、聚乙烯或硬脂酸中的任意一种，成型剂加入量是干燥后的球磨粉末质量的14-15％。
3.按照权利要求1或2任一项所述的方法制备得到的用于CT球管的金属陶瓷管壳。
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