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参考文献

摘要：
1 实验材料及方法▲
2 结果与分析▲
2.1 显微组织分析
2.2 显微硬度分析
2.3 W/Mo层密度分析
3 结论▲
图表▲

图1 铺层设计示意图

表1 W/Mo/石墨靶材烧结工艺

图2 不同烧结工艺 (a, b, c, d) W/Mo层的金相组织形貌

图3 工艺b Mo/石墨层的金相组织形貌

表2 试样材料基本性能参数 [13]

图4 W/Mo结合面线扫描分析图

图5 Mo/石墨结合面线扫描分析图

图6 不同工艺制备靶材Mo层的显微硬度分布

表3 各试样密度测试值

稀有金属2008年第5期

W/Mo/石墨复合靶材的制备与研究

陈文革

西安理工大学材料科学与工程学院

摘要：

通过粉末冶金技术, 采用真空高温热压烧结工艺, 制备了W/Mo/石墨复合靶材, 并对其显微组织、结合状态、密度和硬度等性能进行了测试, 结果表明在1700℃, 保温4h, 采用Zr, Ni, Ti混合粉作为粘结剂, 热压条件下制备的W/Mo/石墨复合靶材, 组织致密均匀, W, Mo层过渡平缓, 结合界面良好, 结合强度高。Mo层的硬度达到Hv250左右。

关键词：

复合靶材;粉末冶金;真空烧结;

中图分类号： TB33

收稿日期：2008-01-03

基金：校基金项目 (101-210601);

A Study of Tungsten/Molybdenum/Graphite Composite Target Materials

Abstract：

Tungsten/Molybdenum/Graphite composite target was prepared by utilizing powder metallurgy technology, along with vacuum hot pressing sintering technique. The microstructure, bonding state, density and hardness of the composite were analyzed. The results show that utilizing the mixture of Zr, Ni and Ti as adhesives, the composite target sintered at 1700 ℃, holding for 4 h under hot pressing condition had fine and dense microstructure, a gentle transition layer between tungsten and molybdenum, an excellent bonding interface and large bonding strength. The hardness of molybdenum layer could reach approximately HV250.

Keyword：

composite target; powder metallurgy; vacuum sintering;

Received： 2008-01-03

靶材是高速荷能粒子轰击的目标材料。它作为工业上的一种特殊材料有广泛的应用, 如表面工程领域、半导体行业、微电子行业、光学领域、高能激光武器以及其他方面 ^[1] 。 X射线阳极靶受电子轰击要产生热量。与固定阳极靶相比, X射线旋转靶能承受更高的热负荷。当电子束轰击时, 通过高速旋转靶盘, 靶的表面作为焦点区域的部分总是处于冷却状态, 并且通过旋转可以更快速地散发热量而冷却。要求制备靶材的材料熔点高、导热好、特征谱线强, 而满足这些条件的常常是原子序数较大的诸如W, Mo, Le等重金属元素 ^[2] 。金属钨具有熔点高、蒸气压低、密度大、原子序数高等优点, 在电子束轰击下能产生大量X射线。但是纯钨的热容量小、散热性能差。 W/Mo复合层利用钼的散热性好的特点解决了单一纯钨靶所存在的散热问题 ^[3,4] 。同时, 石墨具有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高强、高纯、高密的石墨连接作为一个整体靶材, 特别适宜于装配在CT (computed tomography) 机上的X射线管中 ^[5,6,7] 。本文尝试采用粉末冶金技术制备W/Mo/石墨复合靶材, 以满足大型医用CT设备的应用要求。

1 实验材料及方法

将纯度均为99.8%, 粒径依次为6～8 μm, 1～4 μm的钨粉和钼粉, 采用不同的粘结剂与高强高密的石墨, 按照图1所示的铺层设计在500～800 MPa的压制压力下冷压成Φ 21 mm的生坯。按表1所示的制备工艺用ZT-50-20Y型真空热压炉进行烧结。选用钛、镍做钼与石墨的中间扩散层材料。钛能与钼无限互溶, 镍与钼可以有限互溶 ^[8,9,10] , 钛、镍分别以粉状或在钼表面电镀的方式加入。用XJL-03型金相显微镜观察试样的金相组织。用ESJ200-4电子分析天平测定试样的密度。用JSM-6700F扫描电子显微镜对W/Mo/石墨复合靶进行微观组织形貌观察和成分分析。

2 结果与分析

2.1 显微组织分析

图2为采用4种不同工艺烧结后钨钼层的金相组织形貌。可以看出, 上端W层组织均匀致密, 下端Mo层随工艺不同, 组织差异较大, 其中工艺b, d制备的W/Mo复合层, 各层组织较致密均匀, 且W/Mo层过渡平缓, 没有明显的结合面。工艺a, c得到的组织致密性较差。

图1 铺层设计示意图

Fig.1 Schematic of the lining design

表1 W/Mo/石墨靶材烧结工艺

Table 1 Sintering technology of W/Mo/Graphite target

Processing	Sinter temperature/℃	Holding time/ h	Degree of vacuum/ Pa	Agglomerant	Sintering press/ (kg·cm^-2)
a	1400	2	10^-3～10^-2	Ni, Ti, Zr ZrSr	0
b	1700	4	10^-3～10^-2	Ni, Ti, Zr	5～10
c	1700	2	10^-3～10^-2	Zr	5～10
d	1600	2	10^-3～10^-2	/	5～10

图2 不同烧结工艺 (a, b, c, d) W/Mo层的金相组织形貌

Fig.2 Microstructures of W/Mo layer prepared by different sintering technologies (a, b, c, d)

由烧结理论可知, 温度和烧结时间是影响烧结的两个重要因素 ^[11] 。在烧结工艺中, 温度是具有决定性作用的因素, 在一定温度范围内, 烧结温度越高, 原子扩散能力越强, 烧结致密化过程越快, 并对压坯的各种性能发生显著影响。保温时间的长短直接影响制品的性能。保温时间不足时, 一方面颗粒之间的结合状态不佳, 另一方面各个组元的均匀化受到影响。由图2可以明显看出, 温度越高, 保温时间越长, 产品组织致密性越好, 出现的孔洞越少。

图3为工艺b制备的试样Mo层与石墨层的结合处的金相组织形貌, 图中由上到下依次为石墨层、粘结层和Mo层。由于铺层的不平整使得粘结剂与上下两层呈犬牙交错状。其中a, c, d 3种工艺下, Mo层与石墨层结合处皆有明显的裂纹。石墨是典型的非金属材料, 机械强度很低, 塑性差, 线膨胀系数小, 与金属的线膨胀系数相差较大 (表2为石墨与几种金属的基本性能参数) , 因此石墨与金属的连接必须选用适当的粘结剂 ^[12] 。吴爱萍等 ^[9] 的研究表明: 以钛粉为中间层时, 钛粉与石墨之间反应生成的TiC弥散分布在基体中, 没有形成连续的硬脆层, 其接头强度高于直接扩散焊和以钛箔为中间层时的强度, 参数合适时, 接头剪切强度可以达到石墨本身的强度。以镍粉或在钼表面镀镍作为中间层时, 由于接头中不形成硬脆的反应层, 而且在高温下 (1350 ℃) 还会产生瞬间液相, 加强了界面间的反应与结合, 使接头的剪切强度更高, 可以超过石墨本身的强度。以锆粉做中间层时, 会形成细小的球形ZrO₂颗粒, 弥散的分布在基体中, 起强化作用。工艺d没有添加粘结剂, 工艺c选用的粘结剂不适当, 都导致钼与石墨的连接失败。

图3 工艺b Mo/石墨层的金相组织形貌

Fig.3 Microstructure of Mo/Graphite layer prepared by scheme b

图4是复合靶材W/Mo结合面的线扫描分析图像, 图中深色区为Mo, 浅色区为W。从图中可以看出, 结合面处组织清晰、界面明显, 而且W/Mo层之间发生了相互连续扩散。图5是复合靶材Mo/石墨结合面的线扫描分析图像, 图中深色区为石墨, 浅色区为Mo, 中间过渡区为添加剂层。从图中可以看出, 添加的过渡层中的元素向两边的Mo和石墨层进行了扩散。 Zr, Ni, Ti与石墨在高温下会发生一定反应, 对促进它们之间的连接非常有利。

2.2 显微硬度分析

图6是不同工艺所制靶材Mo层的显微硬度分布。中间层Mo的性能决定整个靶材的质量。由图中可以看出从W端到C端分布较为均匀的是工艺b, 工艺c, 呈波浪式的硬度分布。其他两种工艺的硬度分布很不均匀, 靠近W端的硬度极高, 可能是W扩散到Mo端或者铺层操作不当所致。图中曲线e为国外同类产品的参照。

表2 试样材料基本性能参数 [13]

Table 2 Properties of the bonded materials

Material	Crystal structure	Melting point/℃	Coefficient of thermal expansion/K^-1	Thermal conductivity/ (W·m^-1·K^-1)	Strength/MPa
Graphite	Hexaplanar mesh structure, layer structure	3500	(2～6) ×10^-6	120	10.3 (shear)
Mo	bcc	2623	4.0×10^-6	142	600
W	bcc	3410	127×10^-6	190	1000～1200
Zr	hcp	1852	5.85×10^-6	21.1	300～500
Ni	fcc	1453	13.3×10^-6	82.9	317
Ti	hcp	1668	10.2×10^-6	11.4	235

图4 W/Mo结合面线扫描分析图

Fig.4 EDS pattern of W/Mo bonding interface

图5 Mo/石墨结合面线扫描分析图

Fig.5 EDS pattern of Mo/Graphite bonding interface

图6 不同工艺制备靶材Mo层的显微硬度分布

Fig.6 Distribution of microhardness of Mo layer prepared by different sintering technologies

2.3 W/Mo层密度分析

采用粉末冶金技术制备的材料, 往往有一定的孔隙率。孔隙的存在会严重影响靶材的使用性能, 如强度和热传导性等, 因此致密度是衡量靶材性能的一个重要指标。对于合金靶材通常用机械混合密度来代替其理论密度 ^[13,14] 。靶材的致密度用相对密度表示:

相对密度

其中: %W, %Mo为W和Mo的质量百分比; ρ_W, ρ_Mo为W和Mo的密度。

钨的块体密度为19.3 g·cm^-3, 钼的块体密度为10.2 g·cm^-3, W/Mo的体积比为1∶6, 根据计算可得W/Mo复合层的理论密度为11.5 g·cm^-3。试样的有效密度用电子分析天平根据阿基米德原理测定, 按照上式计算, 结果如表3所示。由表3可以看出, 1700 ℃保温4 h热压条件下可得到相对密度高于90%的W/Mo复合层。

表3 各试样密度测试值

Table 3 Density of targets prepared by different technologies

Test sample	True density/ (g·cm^-3)	Relative density/%
1400 ℃, kept heat retaining for 2 h, heat	7.61	66.17
1700 ℃, kept heat retaining for 4 h, heat pressing	10.42	90.61
1700 ℃, kept heat retaining for 2 h, heat pressing	10.23	88.96
1600 ℃, kept heat retaining for 2 h, heat pressing	9.49	82.52