CN117305785A - 一种ct阴极管阴极表面涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CT阴极管阴极表面涂层及其制备方法，以铱(Ir)、锇(Os)为金属靶，通过改进磁控溅射工艺，在钼基底上沉积得厚度10～20μm的金属涂层，所制备的金属涂层与基底结合力可超过100N，且涂层致密、均匀性好，可作为CT用X射线管中阴极管表面激发电子的阴极使用。

Description

一种CT阴极管阴极表面涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，涉及CT阴极管表面改性处理，具体涉及一种CT阴极管阴极表面涂层及其制备方法。

背景技术

X射线管作为CT系统的重要组成部分，主要由阴极、阳极、真空室、窗口和电源等组成。其中，阴极的主要作用是产生足够数量和能量的电子，并用于轰击阳极靶材而产生X射线，是X射线管中的核心部件之一，其性能直接影响X射线的发射强度及部件的整体使用寿命。为获得高的电子产额和整流，现有CT系统的X射线管普遍采用阴极管内置加热的方式，由管表面产生热电子的工作方式。然而，当X射线管处于工作状态时，阴极材料由于要面临高温和真空环境，所处的服役环境极为苛刻。因此，要求阴极管具有高温强度高、抗热冲击性能好、导热性能优异、电子逸出功低、电流密度大且稳定、热蒸发速度低等特点。

早期阴极管材质一般由难熔金属制成，如W、Mo、Re、Nb、Ir、Os等金属单质。然而，采用难熔金属制造阴极管存在应用价值较低的问题。首先，难熔金属的制备和机械加工难度大，如W、Mo、Ir和Os存在熔点高、脆性大等问题；其次，部分金属发射稳定，但发射效率低下，如W；再次，部分难熔金属电子逸出功大，使其工作温度高，如Ir、Os、Re等；最后，管身与加热系统的异种材质连接技术要求高，常规焊接技术难以实现，且成本高昂。因此，发射效率较高的纯金属阴极衍生薄膜阴极，逐渐取代纯金属阴极成为阴极管的主要用材。同时，也极好的解决了阴极管材料的制备和成型加工难题。

常用的涂层制备技术有很多，如电镀、化学镀、化学气相沉积(CVD)、磁控溅射和激光熔覆等。其中磁控溅射是工业中应用最广泛的一种薄膜制备方法，其原理是利用高能粒子轰击沉积物质的固态靶材表面，使靶材表面原子逸出，并在样品表面形成薄膜。其优点为：(1)所选用的溅射靶材几乎不受限制，无论是金属靶材还是陶瓷靶材都能溅射获得相应的薄膜；(2)溅射所获得的薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好；(3)磁控溅射工艺可重复性好，可重复制备组织结构相同的薄膜。

因此，针对CT阴极管的管体阴极存在的加工难度大、发射效率低、工作温度高和异质连接难度大、成本高等问题，采用磁控溅射沉积工艺在难熔金属基体上制备满足实际应用的难熔涂层，以获得高发射效率和高稳定性的薄膜型热阴极管，具有重要的科学意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种CT阴极管阴极表面涂层及其制备方法，该制备方法所制备CT阴极管表面的金属涂层，其与基底结合力高，涂覆致密且均匀性好，可作为X射线管中阴极管表面发射电子的用途，进而有效解决CT阴极管用纯难熔金属材料存在的电子发射效率低、难以加工、管身连接难度大等问题。

为达到上述目的，本发明提供的CT阴极管阴极表面涂层的制备方法包括以下步骤：

(1)预处理

对钼基底依次进行抛光和清洗，并干燥备用；

(2)偏压反溅射清洗

将步骤(1)干燥后的钼基底置于磁控溅射设备的真空炉腔内，抽真空至不大于2×10^-4Pa，在氩气气氛下，采用偏压反溅射清洗钼基底；

(3)靶材预溅射

在氩气气氛下，对金属靶材进行预溅射；金属靶材为铱或锇；

(4)沉积金属涂层

保持步骤(3)氩气气氛下，于溅射气压为0.6～1.0Pa、氩气流量为60～100sccm、溅射功率为200～300W、靶基距6～7cm、沉积温度200～400℃的条件下对金属靶材进行溅射，至沉积于钼基底表面的金属涂层达到设定厚度；

(5)去应力和矫正变形后处理

钼基底表面经金属涂层沉积完成后，抽真空至不大于4×10^-4Pa，之后于沉积温度条件下静置5～8h，继后随炉冷却至100℃以下，再关闭真空系统，并至少静置12h，即可完成对钼基底表面金属涂层的去应力和矫正变形处理，得到用于CT阴极管表面的金属涂层。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，步骤(1)中，对钼基底是通过合适加工设备和加工手段进行表面预处理，其目的是使厚金属涂层有更好的附着力，因而在达到该目的的前提上，可以采用本领域常规预处理方式，以去除钼基底表面氧化物和吸附物。在本发明中，优选对钼基底表面进行机械抛光，抛光后先后分别采用丙酮、无水乙醇超声清洗10～20min，以去除基底表面油脂以及吸附物等杂质，然后烘干待用。进一步的，机械抛光的方式采用本领域常规方式即可。本发明中，优选将钼基底用由粗到细的水磨砂纸(如：240#、600#、1000#、1500#、3000#水磨砂纸)进行打磨，最后使用抛光膏在金相抛光机上进行抛光处理。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，步骤(2)中，通过偏压反溅射可以进一步以去除靶材表面氧化物或/和吸附杂质，例如清除工件(钼基底)表面的氧化层、加工毛刺、油渍及污物等，偏压反溅射清洗可以采用本领域常规偏压反溅射参数。本发明中，偏压反溅射清洗条件为：当真空炉腔内真空不大于2×10^-4Pa后，再通入Ar气体，使真空度达到2～4Pa，然后在偏压为-600～-800V、靶基距为6～7cm条件下对钼基底进行偏压反溅射清洗，清洗时间为10～20min。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，步骤(3)中，对靶材表面进行预溅射去除表面钼的氧化物或/和吸附杂质，达到清洁靶材表面的目的。本发明对靶材预溅射条件并没有特殊的限制，常规预溅射参数即可。预溅射条件为：调整氩气流量为60～100sccm，使预溅射气压达到0.6～1.0Pa，然后于预溅射气压0.6～1.0Pa、预溅射功率100～200W的条件下，金属靶材启辉后关闭挡板，对金属靶材进行预溅射清洗，清洗时间为10～20min。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，步骤(4)中，待步骤(3)中靶材预溅射预溅射完成后，保持Ar气氛，调节溅射参数至既定参数，即溅射气压为0.6～1.0Pa、氩气流量为60～100sccm、溅射功率为200～300W、沉积温度200～400℃、靶基距6～7cm，打开靶头挡板进行金属涂层沉积；为避免涂层中形成界面缺陷，导致涂层电子发射性能下降，本发明采用了金属涂层的一次沉积完成方法，不断段直至达到所需厚度。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，步骤(5)的目的为对沉积在钼基底上的金属涂层进行去应力处理，以避免涂层因外界压力和温度突变引发的应力剥离和表面氧化。本步骤中，关闭真空系统后的静置时间优选为12h～24h。磁控溅射有一定的应力，保持加热，有利于消除涂层内部的应力，防止涂层剥落，使涂层与基底结合更加紧密。沉积时的温度越低，保温静置时间相应更长。

上述CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，现有技术中，磁控溅射制备难熔金属涂层，为了抑制晶粒长大导致的表面粗糙度过大和应力集中导致的涂层附着性能下降或剥落，通常采用中间停顿的同质多层沉积工艺。然而，针对本技术中应用的涂层，多层沉积工艺将会在涂层形成大量层间界面，以及晶粒细化会产生大量晶界，这些缺陷将对电子的表面逸出、电子在涂层中的输运，以及热量的传递造成困难。因此，基于Mo、Os和Ir热膨胀系数相近，采用了加热条件上一次沉积涂层的方式，并通过较长保温静置和随炉静默的处理，尽可能地抑制涂层中缺陷形成和消除涂层中的残余应力，以实现涂层残余应力消除和抑制缺陷形成的双重目的。

本发明还提供了通过上述方法制备的CT阴极管阴极表面涂层，所述金属涂层厚度大于10μm，优选实现方式钟金属涂层总厚度为10～20μm。

与现有技术相比，本发明提供的CT阴极管阴极表面涂层及其制备方法具有以下有益效果：

(1)本发明在磁控溅射中，仅以氩气作为工作气体，采用加热沉积、保温静置和随炉静置的方式，从而在钼基底表面一次沉积制备了具有高结合力、厚度均匀、表面致密的金属涂层。

(2)本发明采用成熟的磁控溅射技术，不仅比传统湿法制备涂层具有更优的附着性能、纯度和厚度外，而且还克服了传统湿法涂层技术因重离子、废液和废渣易对环境造成污染的缺点，具有操作简单、低污染、低成本、环境友好等优点，工艺重复性好，有良好的应用的前景，值得推广应用。

(3)本发明可以精确控制靶材溅射功率，涂层厚度可调控，且相对同为物理气相沉积技术其它制备技术更具优势，如比多弧离子镀制备的涂层更为致密均匀，比蒸发镀制备的涂层更有高的涂/基结合力。

附图说明

图1为本发明实例1制得Ir涂层的实物图；

图2为本发明实例1制得Ir涂层的表面SEM图：(a)表面形貌，(b)截面形貌；

图3为本发明实例1制得Ir涂层在划痕仪动态载荷下声发射信号图；

图4为本发明实例2制备Os涂层的实物图；

图5为本发明实例2制得Os涂层的表面SEM图：(a)表面形貌，(b)截面形貌；；

图6为本发明实例2制得Os涂层在划痕仪动态载荷下声发射信号图。

具体实施方式

以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。

以下实施例中，磁控溅射设备采用射频反应磁控溅射镀膜设备；所用钼基底纯度为99.99％；工作气体Ar纯度均为99.999％。所用金属靶材为铱(Ir)靶，纯度为99.99％。所用金属靶材为锇(Os)靶，纯度为99.99％。

实施例1

本实施例提供的CT阴极管阴极表面涂层按照以下步骤制备得到：

(1)预处理

将阴极管圆柱面的钼基底用240#、600#、1000#、1500#、3000#水磨砂纸由粗到细依次打磨，最后使用抛光膏在金相抛光机上进行抛光处理，打磨光滑后，分别使用丙酮、无水乙醇超声清洗15min，清洗完成后干燥备用；

(2)偏压反溅射清洗

将步骤(1)处理后的阴极管置于磁控溅射设备的真空炉腔内，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至达到本底真空2×10^-4Pa，通入氩气作为工作气体，于反溅射电压为-600V偏压、反溅射气压为4Pa、靶基距为6cm的条件下对钼基底进行偏压反溅射清洗，清洗时间为20min；

(3)靶材预溅射

待钼基底表面反溅清洗完成后，调整氩气流量为60sccm，使预溅射气压达到0.6Pa，采用射频电源将Ir靶迅速起辉后，关闭挡板，于预溅射气压为0.6Pa、预溅射功率为100W的条件下，对Ir靶材进行预溅射，预溅射时间为10min；

(4)沉积Ir涂层

保持步骤(3)氩气气氛下，调整氩气流量为100sccm，于溅射气压为1.0Pa、溅射功率为200W、靶基距为6cm、沉积温度为200℃的条件下对Ir靶材进行溅射，溅射沉积时间为3h；

(5)去应力和矫正变形处理

钼基底表面经Ir涂层沉积完成后，停止通入气体，抽真空至4×10^-4Pa，之后于沉积温度条件下静置5h，继后随炉冷却至100℃以下，再关闭真空系统，并静置12h，即可完成对钼基底表面金属涂层的去应力和矫正变形处理，得到CT阴极管阴极表面的Ir涂层，所得Ir涂层沉积厚度约为12.1μm。

实施例2

本实施例提供的CT阴极管阴极表面涂层按照以下步骤制备得到：

(1)预处理

将阴极管圆柱面的钼基底用240#、600#、1000#、1500#、3000#水磨砂纸由粗到细依次打磨，最后使用抛光膏在金相抛光机上进行抛光处理，打磨光滑后，分别使用丙酮、无水乙醇超声清洗15min，清洗完成后干燥备用；

(2)偏压反溅射清洗

将步骤(1)处理后的阴极管置于磁控溅射设备的真空炉腔内，先机械泵抽低真空，后分子泵抽高真空至达到本底真空2×10^-4Pa，通入氩气作为工作气体，于反溅射电压为-800V偏压、反溅射气压为3Pa、靶基距为7cm的条件下对钼基底进行偏压反溅射清洗，清洗时间为10min；

(3)靶材预溅射

待钼基底表面反溅清洗完成后，调整氩气流量为100sccm，使预溅射气压达到1.0Pa，采用射频电源将Os靶迅速起辉后，关闭挡板，于预溅射气压为1.0Pa、预溅射功率为200W的条件下，对Os靶材进行预溅射，预溅射时间为20min；

(4)沉积Os涂层

保持步骤(3)氩气气氛下，调整氩气流量为100sccm，于溅射气压为1.0Pa、溅射功率为300W、靶基距7cm、沉积温度为400℃的条件下对Os靶材进行溅射，总溅射沉积时间为2h；

(5)去应力和矫正变形处理

钼基底表面经Os涂层沉积完成后，停止通入气体，抽真空至4×10^-4Pa，之后于沉积温度条件下静置5h，继后随炉冷却至100℃以下，再关闭真空系统，并静置24h，即可完成对钼基底表面金属涂层的去应力和矫正变形处理，得到CT阴极管表面的Os涂层，所得Os涂层沉积厚度约为20.1μm。

以下对实施例1-2制备得到的用于CT阴极管表面的金属涂层进行形貌和性能分析如下。

(一)形貌分析

实施例1-2制备得到的沉积在钼基底的Ir和Os涂层的实物图分别如图1和图4所示。采用扫描电镜对实施例1-2制备得到的沉积在钼基底上的Ir和Os涂层表面微观形貌进行分析，分别如图2和图5所示。从图中可以看出，实施例1-2分别所制备的Ir和Os涂层表面致密、连续，在较大范围内未观察到明显的缺陷存在。

(二)性能分析

使用自动划痕测试仪估算涂层的结合强度，在线性动态增加载荷下进行划痕试验，同时采用扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察。实施例1-2所制备的Ir和Os涂层的结合力测试结果分别如图3和图6所示。Ir和Os涂层在0～100N处都没有观察到声发射信号，表明涂层与基体结合紧密，涂层与基体表面结合力超过了100N，说明涂层与基材结合性能优异，这对涂层满足实际工程应用是至关重要的。

Claims (7)

1.一种CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)预处理

对钼基底依次进行抛光和清洗，并干燥备用；

(2)偏压反溅射清洗

将步骤(1)干燥后的钼基底置于磁控溅射设备的真空炉腔内，抽真空至不大于2×10^{- 4}Pa，在氩气气氛下，采用偏压反溅射清洗钼基底；

(3)靶材预溅射

在氩气气氛下，对金属靶材进行预溅射；金属靶材为铱或锇；

(4)沉积金属涂层

保持步骤(3)氩气气氛下，于溅射气压为0.6～1.0Pa、氩气流量为60～100sccm、溅射功率为200～300W、靶基距6～7cm、沉积温度200～400℃的条件下对金属靶材进行溅射，至沉积于钼基底表面的金属涂层达到设定厚度；

(5)去应力和矫正变形后处理

钼基底表面经金属涂层沉积完成后，抽真空至不大于4×10^-4Pa，之后于沉积温度条件下静置5～8h，继后随炉冷却至100℃以下，再关闭真空系统，并至少静置12h，即可完成对钼基底表面金属涂层的去应力和矫正变形处理，得到用于CT阴极管表面的金属涂层。

2.根据权利要求1所述的CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，对钼基底表面进行机械抛光，抛光后先后分别采用丙酮、酒精清洗10～20min。

3.根据权利要求1所述的CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，偏压反溅射清洗条件为：当真空炉腔内真空不大于2×10^-4Pa后，再通入Ar气体，使真空度达到2～4Pa，然后在偏压为-600～-800V、靶基距为6～7cm条件下对钼基底进行偏压反溅射清洗，清洗时间为10～20min。

4.根据权利要求1所述的CT阴极管阴极表面涂层的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，预溅射条件为：调整氩气流量为60～100sccm，使预溅射气压稳定到0.6～1.0Pa，然后于预溅射气压0.6～1.0Pa、预溅射功率100～200W的条件下，金属靶材启辉后关闭挡板，对金属靶材进行预溅射清洗，清洗时间为10～20min。

5.权利要求1-4任一项所述方法制备的CT阴极管阴极表面涂层。

6.根据权利要求5所述的CT阴极管阴极表面涂层，其特征在于，所述金属涂层厚度大于10μm。

7.根据权利要求6所述的用于CT阴极管表面的金属涂层，其特征在于所述金属涂层厚度为10～20μm。