摘要：钨钼及其合金因具有良好的导热、导电、高温强度和耐磨等特性，成为电子电力、金属材料等航天工业应用的重要材料，钨钼靶材是产生X射线的重要组成部件，被广泛应用于医学和材料等领域，其质量对使用性能至关重要。靶材生产过程中，其工作表面常常伴随“白斑”缺陷，严重影响产品的合格率。本实验采用光学显微镜、扫描电镜和显微硬度等分析方法对钨钼靶材工作表面的白斑缺陷进行微观成分分析。结果表明：白斑缺陷微观视野下为凹坑现象，其周围晶粒粗大。缺陷产生的主要原因是料层的致密度和硬度差异化不同，烧结和热压使晶粒增粗增大，机加过程中使晶粒脱落，表现为凹坑现象。最后，通过改进生产工艺，有效的避免靶材表面的白斑缺陷，提高了产成品率。本文章的研究内容对生产企业有着非常重要的指导意义。
关键词： 靶材 白斑 缺陷 晶粒 硬度
DOI:10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2019.02-000
中图分类号：146.4+12 文献标识码：A 文章编号：1006-2602(2019)02-0000-00
Defect Analysis of Working Surface of X - ray Anode Target
LIU Chen-yu , Zhang Teng,XUE Fei,DAN Xin -guo ,FAN Wen-bo , ZHANG Qing,WEN Ya-hui ,DENG Yong-bin
（Xi’an Refra Tungsten & Molybdenum Co.,Ltd.Xi’an 710201,Shaanxi,China）
Abstract：Tungsten - molybdenum and its alloys have become important materials such as electronic power,metal materials and aerospace industry applications, due to their good thermal conductivity, electrical conductivity, high temperature strength and wear resistance. Tungsten - molybdenum target is an important component for X - ray generation and is widely used in medical and material fields, and its own taste is crucial to its performance. In the process of target production, its working surface is often accompanied by " white spot" defect, which seriously affects the qualified rate of the product. In this experiment, optical microscope, scanning electron microscope and microhardness were used to analyze the microscopic composition of white spot defects on the working surface of tungsten-molybdenum target. The results show that the white spot defect is a pit phenomenon in the microscopic field of view, and its surrounding grains are coarse. The main reason for the defect is that the density and hardness of the material layer are different. Sintering and hot pressing increase the grain size, and the grain falls off in the process of machining, which shows a pit phenomenon. Finally, by improving the production process, the white spot defect on the target surface can be effectively avoided and the yield can be improved.The research content of this article has very important guiding significance for production enterprises.
Keywords：target material，white spot，defects，grain，hardness
1前言
X射线衍射主要应用于现代医学和无损检测领域，阳极靶（钨钼靶材）是组成X射线管的关键部件，X光管的工作机理是通过电子束轰击靶材工作表面层，其表面层产生特征X射线。因此，X射线衍射装置对阳极靶材的要求特别高。但实际生产中，靶材工作表面经常出现的白斑等缺陷，其缺陷严重降低了靶材的发射功能和使用寿命，造成产品大量报废，严重影响靶材生产成本和成品率。目前，靶材白斑缺陷的研究报道相对较少，白斑缺陷长期得不到解决。段小建等[1]发现并研究了靶材在高温除气后表面出现的白斑现象，钨基钼靶材的工作环境为1500℃左右，钨基靶材装管前要进行高温真空除气处理，段小建并未对靶材高温除气之前的凹坑白斑进行研究。很多研究工作者探究了压制、粒度与钨钼靶材之间的关系，并未从根本上消除白斑缺陷对实际生产的困扰[2-8]。因此，探究并解决靶材生产中出现的缺陷问题对提高产品的合格率具有至关重要的意义。本课题钨钼靶材是以TZM为基体，工作表面是钨铼合金，对靶材表面进行微观分析。通过实际与理论相结合，确定靶材表面产生白斑的原因，并查找产生缺陷的工序。
2实验
本课题探究的靶材为TZM基钨铼结构，其工作表面为钨铼合金，基层为TZM合金，各合金层的实际配比如表1所示。使用XJL-03立式金相显微镜、JSM-6700F型真空扫描电子显微镜（SEM）附带能谱仪(EDS)观察试样工作表面白斑缺陷区域及元素分布状态，使用Via-F显微维氏硬度计检测靶材工作表面白斑缺陷区域的硬度分布。
表1 TZM基钨铼靶各层化学成分 wt%
Table 1 Chemical composition of each layer of TZM - based & Tungsten-rhenium target wt%
| 名称 |
Ti |
Zr |
Mo |
Re |
W |
| TZM层 |
0.4~0.55 |
0.06~0.12 |
余量 |
0 |
-- |
| 钨铼层 |
-- |
-- |
-- |
3 |
余量 |
3.1 SEM-EDX结果和成因分析
取靶材表面含有白斑缺陷的试样，经磨抛后进行微观能谱分析，如图1所示，图1（b）和（c）分别为白斑区域的放大图，并对其中红色框进行能谱分析结果如表2。由图1和表2可知，微观视野下白斑缺陷表现为凹坑且为两种结构。其中图1（b）白斑缺陷为细小的点状夹杂物聚集而成，凹坑中Mo含量较高，达到88.51wt%，分析原因为粉料进行压制的过程中钨铼层被钼粉污染，该白斑缺陷后续加工保证工作台面整洁度，可以避免；图1（c）的白斑缺陷为不含夹杂物的晶粒脱落现象。
图1 靶材工作表面的白斑缺陷图
（b）和（c）分别为（a）图中白斑局部放大图
Fig. 2 White Spot Defect Map of Target Working Surface
( b ) and ( c ) are respectively enlarged partial views of the white spot in fig. ( a ),
表2靶材表面白斑处能谱分析
Table 2 Energy spectrum analysis of white spots on the surface of target material
| 样品 |
元素 |
质量 百分比 |
原子百分比 |
| （b） |
O K |
3.05 |
16.30 |
| W M |
8.09 |
3.77 |
| P K |
0.35 |
0.97 |
| Mo L |
88.51 |
78.96 |
| （c） |
O K |
2.94 |
15.41 |
| W M |
95.32 |
84.46 |
| P K |
0.31 |
0.93 |
| Mo L |
0.43 |
0.20 |
TZM基钨铼靶的工作表面界面处的金相照片如图2所示，其中图2（a）、（b）分别为无白斑区域和白斑区域的金相图。由图2可知，无白斑区域的晶粒均匀且较小，而白斑区域致密度明显低于其它区域，并且晶粒较为粗大。从热力学角度分析，在一定体积的金属中，晶粒愈粗，则其总的晶界表面积就愈小，晶粒粗化使合金该区域处于自由能较低的稳定状态。白斑周围晶粒粗大的是由于该区域致密度偏低，烧结和热压等工序使该区变形量小，形核数目少，新晶核靠消耗其周围已变形晶胞长大。晶粒脱落是因为粗晶之间结合能较小，结合力弱，磨削等工序易使晶粒脱落。
图2 靶材工作表面的的界面金相照片
（a） 无白斑区域， （b）白斑区域
Fig. 3 Interface metallographic photograph of target working surface
（a）Areas without white spots，（b）White spot area
将靶材工作表面含有白斑缺陷的样品进行显微硬度测试，结果如表3和图3。编号1-3为白斑缺陷周围的硬度测试点，编号4-7为沿白斑缺陷向外延伸的硬度测试点。根据显微硬度测试结果可知，白斑缺陷周围的硬度值偏低，随着测试点向外延伸，其硬度增加，最终硬度相对稳定，说明该区域致密度均匀。硬度值是由晶粒度决定的，晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好，硬度也就越高。
表3靶材表面不同位置的硬度值
Table 3 Hardness values at different positions on the target surface
| 样品编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| 硬度值 |
279 |
288 |
290 |
317 |
337 |
339 |
340 |
图3 靶材表面不同位置的硬度曲线图
Fig. 4 Hardness curves of different positions on the target surface
影响其硬度的性能的主要因素有合金致密度和晶粒尺寸，它们之间的关系为：
其中： 为合金的硬度， 为晶粒尺寸， 为孔隙率； , , 为常数。可知气孔率和晶粒尺寸的增加都会降低合金材料的硬度[9-10]。
综上所述，致密度能够影响合金材料的硬度和耐磨性等特性，因此，提高靶材致密度和均匀性是降低靶材白斑缺陷的重要手段。
本课题通过探究TZM基钨铼靶材工作表面的白斑缺陷，并采用金相显微镜、扫描电镜和显微硬度分析，得出以下几点结论：
（1）TZM基钨铼靶材产生的白斑缺陷为凹坑，表现为含夹杂物的凹坑和未含夹杂物的晶粒脱落现象。
（2）白斑缺陷处的晶粒粗大、硬度较低，无白斑处晶粒度均匀且硬度值稳定。白斑缺陷产生的主要原因为该区域硬度较低和晶粒粗大。
（3）经过工艺改进和生产实践证明，提高靶材致密度和均匀性是降低靶材白斑缺陷的重要手段。其重复性和可靠性提高，有效的解决了靶材生产中的白斑缺陷问题。
参考文献
[1]段小建，段海清，刘海彦，等.钼基钨靶表面白斑问题的解决[J].稀有金属材料与工程.2002.10（31）:103-104.
[3]Zhihui Peng . A survey of the rotating anode target of X-ray tube abroad[J]. Rare Metals and Cemented Carbides，1987（Z1）:121-124.
[4]钟建华，张聚国 ，钟 奇，等.用于热作挤压模具的粉末冶金钼基材料及模具成形方法CN201310614027.5[P]．2014-03-12.
[5]朱 琦，张铁军，王 林，等.影响钨钼双金属压制的因素分析[J].中国钼业，2011，（35）:40-43.
[6]朱 琦 ，王 林，杨秦莉.钨钼复合双金属界面研究[J].中国钼业，2011，8（35）:51-54
[7]温亚辉，李长亮，张 清，等.粉末粒度对钨钼双金属性能影响[J].稀有金属材料与工程.2016，40(11):1188-1192
[8]王社全.影响超细硬质合金性能的几个因素[J].硬质合金，2000，17（1）:9.
[9]陈海荣.我国医疗器械市场现状分析[J].上海生物医学工程，2002，23（4）:64-65.
[10]Oran R L.New research directions in powder metallurgy[J]. Romanian Reports in Physics，2004，56( 3) : 505.
姓名：刘晨雨
电话：18591269326，
邮箱：[email protected]
工作单位:西安瑞福莱钨钼有限公司
单位地址：西安市经济开发区泾渭工业园泾高北路中段18号西安瑞福莱钨钼有限公司
通讯作者：张腾 电话：029-86969925
[email protected]
摘要：钨钼及其合金因具有良好的导热、导电、高温强度和耐磨等特性，成为电子电力、金属材料等航天工业应用的重要材料，钨钼靶材是产生X射线的重要组成部件，被广泛应用于医学和材料等领域，其质量对使用性能至关重要。靶材生产过程中，其工作表面常常伴随“白斑”缺陷，严重影响产品的合格率。本实验采用光学显微镜、扫描电镜和显微硬度等分析方法对钨钼靶材工作表面的白斑缺陷进行微观成分分析。结果表明：白斑缺陷微观视野下为凹坑现象，其周围晶粒粗大。缺陷产生的主要原因是料层的致密度和硬度差异化不同，烧结和热压使晶粒增粗增大，机加过程中使晶粒脱落，表现为凹坑现象。最后，通过改进生产工艺，有效的避免靶材表面的白斑缺陷，提高了产成品率。本文章的研究内容对生产企业有着非常重要的指导意义。
关键词： 靶材 白斑 缺陷 晶粒 硬度
DOI:10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2019.02-000
中图分类号：146.4+12 文献标识码：A 文章编号：1006-2602(2019)02-0000-00
Defect Analysis of Working Surface of X - ray Anode Target
LIU Chen-yu , Zhang Teng,XUE Fei,DAN Xin -guo ,FAN Wen-bo , ZHANG Qing,WEN Ya-hui ,DENG Yong-bin
（Xi’an Refra Tungsten & Molybdenum Co.,Ltd.Xi’an 710201,Shaanxi,China）
Abstract：Tungsten - molybdenum and its alloys have become important materials such as electronic power,metal materials and aerospace industry applications, due to their good thermal conductivity, electrical conductivity, high temperature strength and wear resistance. Tungsten - molybdenum target is an important component for X - ray generation and is widely used in medical and material fields, and its own taste is crucial to its performance. In the process of target production, its working surface is often accompanied by " white spot" defect, which seriously affects the qualified rate of the product. In this experiment, optical microscope, scanning electron microscope and microhardness were used to analyze the microscopic composition of white spot defects on the working surface of tungsten-molybdenum target. The results show that the white spot defect is a pit phenomenon in the microscopic field of view, and its surrounding grains are coarse. The main reason for the defect is that the density and hardness of the material layer are different. Sintering and hot pressing increase the grain size, and the grain falls off in the process of machining, which shows a pit phenomenon. Finally, by improving the production process, the white spot defect on the target surface can be effectively avoided and the yield can be improved.The research content of this article has very important guiding significance for production enterprises.
Keywords：target material，white spot，defects，grain，hardness
1前言
X射线衍射主要应用于现代医学和无损检测领域，阳极靶（钨钼靶材）是组成X射线管的关键部件，X光管的工作机理是通过电子束轰击靶材工作表面层，其表面层产生特征X射线。因此，X射线衍射装置对阳极靶材的要求特别高。但实际生产中，靶材工作表面经常出现的白斑等缺陷，其缺陷严重降低了靶材的发射功能和使用寿命，造成产品大量报废，严重影响靶材生产成本和成品率。目前，靶材白斑缺陷的研究报道相对较少，白斑缺陷长期得不到解决。段小建等[1]发现并研究了靶材在高温除气后表面出现的白斑现象，钨基钼靶材的工作环境为1500℃左右，钨基靶材装管前要进行高温真空除气处理，段小建并未对靶材高温除气之前的凹坑白斑进行研究。很多研究工作者探究了压制、粒度与钨钼靶材之间的关系，并未从根本上消除白斑缺陷对实际生产的困扰[2-8]。因此，探究并解决靶材生产中出现的缺陷问题对提高产品的合格率具有至关重要的意义。本课题钨钼靶材是以TZM为基体，工作表面是钨铼合金，对靶材表面进行微观分析。通过实际与理论相结合，确定靶材表面产生白斑的原因，并查找产生缺陷的工序。
2实验
本课题探究的靶材为TZM基钨铼结构，其工作表面为钨铼合金，基层为TZM合金，各合金层的实际配比如表1所示。使用XJL-03立式金相显微镜、JSM-6700F型真空扫描电子显微镜（SEM）附带能谱仪(EDS)观察试样工作表面白斑缺陷区域及元素分布状态，使用Via-F显微维氏硬度计检测靶材工作表面白斑缺陷区域的硬度分布。
表1 TZM基钨铼靶各层化学成分 wt%
Table 1 Chemical composition of each layer of TZM - based & Tungsten-rhenium target wt%
| 名称 |
Ti |
Zr |
Mo |
Re |
W |
| TZM层 |
0.4~0.55 |
0.06~0.12 |
余量 |
0 |
-- |
| 钨铼层 |
-- |
-- |
-- |
3 |
余量 |
3.1 SEM-EDX结果和成因分析
取靶材表面含有白斑缺陷的试样，经磨抛后进行微观能谱分析，如图1所示，图1（b）和（c）分别为白斑区域的放大图，并对其中红色框进行能谱分析结果如表2。由图1和表2可知，微观视野下白斑缺陷表现为凹坑且为两种结构。其中图1（b）白斑缺陷为细小的点状夹杂物聚集而成，凹坑中Mo含量较高，达到88.51wt%，分析原因为粉料进行压制的过程中钨铼层被钼粉污染，该白斑缺陷后续加工保证工作台面整洁度，可以避免；图1（c）的白斑缺陷为不含夹杂物的晶粒脱落现象。
图1 靶材工作表面的白斑缺陷图
（b）和（c）分别为（a）图中白斑局部放大图
Fig. 2 White Spot Defect Map of Target Working Surface
( b ) and ( c ) are respectively enlarged partial views of the white spot in fig. ( a ),
表2靶材表面白斑处能谱分析
Table 2 Energy spectrum analysis of white spots on the surface of target material
| 样品 |
元素 |
质量 百分比 |
原子百分比 |
| （b） |
O K |
3.05 |
16.30 |
| W M |
8.09 |
3.77 |
| P K |
0.35 |
0.97 |
| Mo L |
88.51 |
78.96 |
| （c） |
O K |
2.94 |
15.41 |
| W M |
95.32 |
84.46 |
| P K |
0.31 |
0.93 |
| Mo L |
0.43 |
0.20 |
TZM基钨铼靶的工作表面界面处的金相照片如图2所示，其中图2（a）、（b）分别为无白斑区域和白斑区域的金相图。由图2可知，无白斑区域的晶粒均匀且较小，而白斑区域致密度明显低于其它区域，并且晶粒较为粗大。从热力学角度分析，在一定体积的金属中，晶粒愈粗，则其总的晶界表面积就愈小，晶粒粗化使合金该区域处于自由能较低的稳定状态。白斑周围晶粒粗大的是由于该区域致密度偏低，烧结和热压等工序使该区变形量小，形核数目少，新晶核靠消耗其周围已变形晶胞长大。晶粒脱落是因为粗晶之间结合能较小，结合力弱，磨削等工序易使晶粒脱落。
图2 靶材工作表面的的界面金相照片
（a） 无白斑区域， （b）白斑区域
Fig. 3 Interface metallographic photograph of target working surface
（a）Areas without white spots，（b）White spot area
将靶材工作表面含有白斑缺陷的样品进行显微硬度测试，结果如表3和图3。编号1-3为白斑缺陷周围的硬度测试点，编号4-7为沿白斑缺陷向外延伸的硬度测试点。根据显微硬度测试结果可知，白斑缺陷周围的硬度值偏低，随着测试点向外延伸，其硬度增加，最终硬度相对稳定，说明该区域致密度均匀。硬度值是由晶粒度决定的，晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好，硬度也就越高。
表3靶材表面不同位置的硬度值
Table 3 Hardness values at different positions on the target surface
| 样品编号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| 硬度值 |
279 |
288 |
290 |
317 |
337 |
339 |
340 |
图3 靶材表面不同位置的硬度曲线图
Fig. 4 Hardness curves of different positions on the target surface
影响其硬度的性能的主要因素有合金致密度和晶粒尺寸，它们之间的关系为：
其中： 为合金的硬度， 为晶粒尺寸， 为孔隙率； , , 为常数。可知气孔率和晶粒尺寸的增加都会降低合金材料的硬度[9-10]。
综上所述，致密度能够影响合金材料的硬度和耐磨性等特性，因此，提高靶材致密度和均匀性是降低靶材白斑缺陷的重要手段。
本课题通过探究TZM基钨铼靶材工作表面的白斑缺陷，并采用金相显微镜、扫描电镜和显微硬度分析，得出以下几点结论：
（1）TZM基钨铼靶材产生的白斑缺陷为凹坑，表现为含夹杂物的凹坑和未含夹杂物的晶粒脱落现象。
（2）白斑缺陷处的晶粒粗大、硬度较低，无白斑处晶粒度均匀且硬度值稳定。白斑缺陷产生的主要原因为该区域硬度较低和晶粒粗大。
（3）经过工艺改进和生产实践证明，提高靶材致密度和均匀性是降低靶材白斑缺陷的重要手段。其重复性和可靠性提高，有效的解决了靶材生产中的白斑缺陷问题。
参考文献
[1]段小建，段海清，刘海彦，等.钼基钨靶表面白斑问题的解决[J].稀有金属材料与工程.2002.10（31）:103-104.
[3]Zhihui Peng . A survey of the rotating anode target of X-ray tube abroad[J]. Rare Metals and Cemented Carbides，1987（Z1）:121-124.
[4]钟建华，张聚国 ，钟 奇，等.用于热作挤压模具的粉末冶金钼基材料及模具成形方法CN201310614027.5[P]．2014-03-12.
[5]朱 琦，张铁军，王 林，等.影响钨钼双金属压制的因素分析[J].中国钼业，2011，（35）:40-43.
[6]朱 琦 ，王 林，杨秦莉.钨钼复合双金属界面研究[J].中国钼业，2011，8（35）:51-54
[7]温亚辉，李长亮，张 清，等.粉末粒度对钨钼双金属性能影响[J].稀有金属材料与工程.2016，40(11):1188-1192
[8]王社全.影响超细硬质合金性能的几个因素[J].硬质合金，2000，17（1）:9.
[9]陈海荣.我国医疗器械市场现状分析[J].上海生物医学工程，2002，23（4）:64-65.
[10]Oran R L.New research directions in powder metallurgy[J]. Romanian Reports in Physics，2004，56( 3) : 505.
姓名：刘晨雨
电话：18591269326，
邮箱：[email protected]
工作单位:西安瑞福莱钨钼有限公司
单位地址：西安市经济开发区泾渭工业园泾高北路中段18号西安瑞福莱钨钼有限公司
通讯作者：张腾 电话：029-86969925
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