【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及加速器與增材制造技術，具體涉及一種加速器引出窗及其制備方法。
技術介紹
1、加速器的離子束產生、加速均在高真空環境下進行，窗膜在放射治療離子加速器中起束流引出的作用，將真空和大氣隔開的同時，要保證束流能“自由”的穿過窗膜材料照射大氣中的目標物體。鈦合金由于其較高的比強度、高溫機械性能，優良的抗氧化性能，以及相對低的模量和熱膨脹系數而來的較高的抗熱沖擊性能，在世界范圍內的粒子加速器裝置中被用作束窗材料。窗框通常為不銹鋼和銅材質，為鈦膜提供結構支撐和安裝，甚至還包括對鈦膜的冷卻。常用的鈦窗一般采用軟釬焊或者硬釬焊工藝制備，即采用錫鉛釬料、銀銅釬料焊鈦箔與無氧銅窗框形成真空密封結構。對窗框為不銹鋼材質的引出裝置，很難通過傳統焊接技術進行連接，而是采用傳統擠壓、沖壓工藝緊密擠壓實現真空密封，但這種機械密封效果差，膠圈密封方式漏氣率高，長期可靠性不足。
2、現有技術中，采用35μm厚的純鈦作為引出窗膜材料，工作溫度選擇在350℃內時，窗膜高溫性能不足；采用厚度為0.15mm的工業純鈦ta2箔材作為窗膜材料，無氧銅tu1作為窗框，通過釬焊工藝在半圓形窗框結構的圓弧開口處釬焊了一層鈦箔，該方法焊接部位易產生缺陷，有真空泄露風險。如公告號為cn210937744u公開了一種鈦窗，先采用低膨脹系數合金圓環與鈦箔釬焊連接，再將低膨脹系數合金圓環的另一側與鈦窗密封法蘭通過氬弧焊的方式焊接固定；公告號為cn115942588a公開了一種電子束引出裝置及其電子加速器，采用所述焊料及焊接過渡件將電子束引出裝置框架和鈦膜通過焊接方式
技術實現思路
1、為了解決上述問題，本專利技術的目的是提供一種加速器引出窗及其制備方法，本專利技術配置的窗膜材料相對于傳統材料高溫力學性能大幅提高，并且采用增材制造的方法一體成型加速器引出窗整體結構，減少真空泄露，密封性好，經過熱處理后，消除局部應力，明顯降低傳統焊接工藝易產生裂紋、裂縫的風險。
2、為了達到上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、一種加速器引出窗，包括窗膜和窗框，所述窗膜為鈦合金材料，其各組分配比以質量百分比計，al：4.5-7.5%，mo：4.1-6.9%，v：4.1-6.9%，nb：3.1-4.5%，cr：1.5-3.5%，ta：0.5-1.5%，余量為鈦及其他不可避免的元素；所述窗框為鋁合金材料，其各組分配比以質量百分比計，zn：5.1-6.9%，mg：2.1-3.9%，cu：1.2-3.9%，cr：0.18-0.28%，fe≤0.30%，si≤0.15%，ti≤0.15%，mn≤0.10%，余量為al及其他不可避免的元素。
4、一種加速器引出窗的制備方法，采用增材制造的方法，包括以下步驟：
5、步驟1，打印前預處理：將鈦合金材料和鋁合金材料分別混勻磨成鈦合金粉末和鋁合金粉末進行干燥，然后將鈦合金粉末、鋁合金粉末以及鈦合金和鋁合金粉末的混合粉末分別鋪設于基板上；
6、所述基板上設置有窗膜區域、窗框區域以及窗膜和窗框接壤的過渡區域；
7、所述鈦合金粉末鋪設于所述窗膜區域，所述鋁合金粉末鋪設于所述窗框區域，所述鈦合金和鋁合金粉末的混合粉末鋪設于所述過渡區域；
8、步驟2，采用激光選區熔化技術分區域打印：對步驟1鋪設的粉末打印時，采用單熔道掃描成型，保護氣氛為氬氣，氧含量不超過50ppm；
9、對窗膜區域，激光設備設置的工藝參數為：激光功率為40-60w，光斑直徑為20-22μm，鋪粉層厚為8-12μm，掃描速度為400-800mm/s，激光能量密度為60-120j/mm3；
10、對窗框區域，激光設備設置的工藝參數為：激光功率為300-350w，光斑直徑為55-65μm，鋪粉層厚為40-50μm，掃描速度900-1500mm/s，激光能量密度為70-130j/mm3；
11、對過渡區域，激光設備設置的工藝參數為：激光功率為200-280w，光斑直徑為50-60μm，鋪粉層厚為30-50μm，掃描速度800-1200mm/s，激光能量密度為65-125j/mm3；
12、步驟3，打印完成后，對步驟2制備的樣品依次進行清洗處理、熱處理、光滑表面以及表面氧化處理。
13、優選的，步驟1中所述鈦合金粉末干燥的條件：在80℃-120℃的溫度下烘干1-5h；所述鋁合金粉末干燥的條件：在60℃-100℃的溫度下烘干1-5h；并將所述基板預熱到80-210℃。
14、優選的，所述窗膜區域選用粒徑為5-18μm的鈦合金粉末，所述窗框區域選用粒徑為15-53μm的鋁合金粉末，所述過渡區域將鈦合金粉末與鋁合金粉末按1:1的比例混合。
15、優選的，所述窗膜區域，松裝密度≥1.20g/cm3，振實密度≥1.70g/cm3，流動性≤130s/50g，空心粉率≤4%；所述窗框區域，松裝密度≥1.30g/cm3，振實密度≥1.50g/cm3，流動性≤120s/50g，空心粉率≤4%；所述過渡區域，松裝密度≥1.10g/cm3，振實密度≥1.60g/cm3，流動性≤120s/50g，空心粉率≤4%。
16、優選的，所述清洗處理為：將樣品采用丙酮、無水乙醇、蒸餾水依次進行超聲清洗10-15min，用吹風機烘干。
17、優選的，所述熱處理為：根據不同區域對樣品進行激光熱處理：窗膜區域加熱溫度為500-620℃，保溫0.5-2h；窗框區域加熱溫度為100-200℃，保溫0.5-2h；過渡區域加熱溫度為350-500℃，保溫0.5-2h。
18、優選的，所述光滑表面為：采用蒸汽光滑工藝處理窗膜表面，首先配置硝酸溶液，將樣品和硝酸溶液放入密封處理室中，然后加熱硝酸溶液至特定溫度，形成的蒸汽與樣品表面物質產生反應，從而光潔表面。
19、優選的，所述表面氧化處理為：采用微弧氧化技術在窗膜表面制備涂層。
20、優選的，所述微弧氧化的條件：電壓為30-70v，頻率為100-500hz，占空比為10-60%，微弧氧化電解液溫度為30-50℃，微弧氧化時間為5-20min。
21、本專利技術的有益效果：
22、1、本專利技術提出的加速器引出窗窗膜材料，比強度（抗拉強度/材料密度）約230n·m/kg左右，耐熱溫度高，同時具有較高的強度、表面硬度，相對于傳統材料高溫力學性能大幅提高，使用周期長，能夠減少更換次數，提高整體設備性能；
23、2、本專利技術采用增材制造方法一體成型加速器引出窗整體結構，減少真空泄露，經過特殊熱處理后，消除局部應力，明顯降低傳統焊接工藝易產生裂紋、裂縫的風險；
24、3、本專利技術采用微弧氧化工藝在窗膜表面形成表面涂層，改善基體的高溫抗氧化性能的同時，顯著提高窗膜表面硬度；采用激光分部位對窗膜進行熱處理，達到固溶強化、均勻退火、提高表面硬本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種加速器引出窗，包括窗膜和窗框，其特征在于，所述窗膜為鈦合金材料，其各組分配比以質量百分比計，Al：4.5-7.5%，Mo：4.1-6.9%，V：4.1-6.9%，Nb：3.1-4.5%，Cr：1.5-3.5%，Ta：0.5-1.5%，余量為鈦及其他不可避免的元素；所述窗框為鋁合金材料，其各組分配比以質量百分比計，Zn：5.1-6.9%，Mg：2.1-3.9%，Cu：1.2-3.9%，Cr：0.18-0.28%，Fe≤0.30%，Si≤0.15%，Ti≤0.15%，Mn≤0.10%，余量為Al及其他不可避免的元素。
2.根據權利要求1所述的加速器引出窗的制備方法，其特征在于，采用增材制造的方法，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟1中所述鈦合金粉末干燥的條件：在80℃-120℃的溫度下烘干1-5h；所述鋁合金粉末干燥的條件：在60℃-100℃的溫度下烘干1-5h；并將所述基板預熱到80-210℃。
4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述窗膜區域選用粒徑為5-18μm的鈦合金粉末，所述窗框區域選用粒
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述窗膜區域，松裝密度≥1.20g/cm3，振實密度≥1.70g/cm3，流動性≤130s/50g，空心粉率≤4%；所述窗框區域，松裝密度≥1.30g/cm3，振實密度≥1.50g/cm3，流動性≤120s/50g，空心粉率≤4%；所述過渡區域，松裝密度≥1.10g/cm3，振實密度≥1.60g/cm3，流動性≤120s/50g，空心粉率≤4%。
6.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述清洗處理為：將樣品采用丙酮、無水乙醇、蒸餾水依次進行超聲清洗10-15min，用吹風機烘干。
7.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述熱處理為：根據不同區域對樣品進行激光熱處理：窗膜區域加熱溫度為500-620℃，保溫0.5-2h；窗框區域加熱溫度為100-200℃，保溫0.5-2h；過渡區域加熱溫度為350-500℃，保溫0.5-2h。
8.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述光滑表面為：采用蒸汽光滑工藝處理窗膜表面，首先配置硝酸溶液，將樣品和硝酸溶液放入密封處理室中，然后加熱硝酸溶液至特定溫度，形成的蒸汽與樣品表面物質產生反應，從而光潔表面。
9.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述表面氧化處理為：采用微弧氧化工藝在窗膜表面制備涂層。
10.根據權利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述微弧氧化的工藝條件：電壓為30-70V，頻率為100-500Hz，占空比為10-60%，微弧氧化電解液溫度為30-50℃，微弧氧化時間為5-20min。
...【技術特征摘要】
1.一種加速器引出窗，包括窗膜和窗框，其特征在于，所述窗膜為鈦合金材料，其各組分配比以質量百分比計，al：4.5-7.5%，mo：4.1-6.9%，v：4.1-6.9%，nb：3.1-4.5%，cr：1.5-3.5%，ta：0.5-1.5%，余量為鈦及其他不可避免的元素；所述窗框為鋁合金材料，其各組分配比以質量百分比計，zn：5.1-6.9%，mg：2.1-3.9%，cu：1.2-3.9%，cr：0.18-0.28%，fe≤0.30%，si≤0.15%，ti≤0.15%，mn≤0.10%，余量為al及其他不可避免的元素。
2.根據權利要求1所述的加速器引出窗的制備方法，其特征在于，采用增材制造的方法，包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟1中所述鈦合金粉末干燥的條件：在80℃-120℃的溫度下烘干1-5h；所述鋁合金粉末干燥的條件：在60℃-100℃的溫度下烘干1-5h；并將所述基板預熱到80-210℃。
4.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述窗膜區域選用粒徑為5-18μm的鈦合金粉末，所述窗框區域選用粒徑為15-53μm的鋁合金粉末，所述過渡區域將鈦合金粉末與鋁合金粉末按1:1的比例混合。
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述窗膜區域，松裝密度≥1.20g/cm3，振實密度≥1.70g/cm3，流動性≤130s/50g，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王大友，石曉艷，閆果，賈慶功，張平祥，
申請(專利權)人：西安聚能醫工科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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