AT501142A1 - Mit nanoteilchen verstärkte mo-legierungen für röntgentargets und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. WALTER HOLZER DIPL.-ING. OTTO PFEIFER DIPL.-ING. DR. TECHN. ELISABETH SCHOBER

A-1010 WIEN, SCHOTTENRING 16, BÖRSEGEBÄUDE

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein molybdänbasiertes Nanokomposit. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Röntgenröhre mit einem Röntgentarget, welches ein molybdänbasiertes Nanokomposit umfaßt. Im weiteren schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines molybdänbasierten Nanokomposits für Röntgenanwendungen . Röntgenröhren erzeugen Röntgenstrahlen durch Beschuß einer Schicht eines Röntgentargetmaterials mit hochenergetischen Elektronen. Das Target umfaßt Elemente mit einer hohen Atomzahl (beispielsweise Wolfram und Rhenium) und ist an einer Substratscheibe mit einem feuerfesten Metallmaterial und einer hohen thermischen Leitfähigkeit befestigt. Um die durch den Elektronenbeschuß erzeugte enorme Hitze abzuführen, wird die Targetscheibe mit einer Geschwindigkeit über 8400 U/sec gedreht. Zusätzlich leitet die hochleitende Targetscheibe die Hitze zu einem Graphitblock, welcher als thermisches Speichermaterial wirkt. Der Bedarf an einer verbesserten Röntgenbildqualität in Verbindung mit der Anforderung nach Computertomographiesystemen (CT) zur Durchführung einer sehr schnellen Herzbildgebung in medizinischen Diagnosen erfordert die Anwendung hoher Leistungsspitzen (über 70 kW) und hoher Targetdrehgeschwindigkeiten, welche die thermischen und strukturellen

Belastbarkeitsanforderungen an das Targetmaterial weit über die derzeitigen Möglichkeiten erhöhen. Daher gibt es Bedarf nach Targetmaterialien mit hoher Festigkeit und hohem Kriechwiderstand, um den durch die Anwendung einer hohen Spitzenleistung und hohen Drehgeschwindigkeiten erzeugten thermischen und strukturellen Anforderungen zu genügen.

Das fortlaufende Bemühen, stärkere und effizientere Röntgenröhrenkomponenten zu entwerfen und herzustellen, erfordert die Anwendung von Materialien mit verbesserten Hochtemperatur-Leistungsfähigkeiten. Derartige Leistungsverbesserungen erfordern Materialien nach dem neuesten Stand mit wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, Kriechwiderstand und thermische Stabilität. Für Röntgenröhren und anderen Anwendungen können Hochtemperatur-Strukturmaterialien auf verschiedenen Wegen verstärkt werden, beispielsweise Kornverfeinerung, Festlösungsverstärkung, Ausfällungsverstärkung, Kompositverstärkung und Verteilungsverstärkung. Ein als Orawanverstärkung bekanntes Verstärkungsverfahren von Legierungen umfaßt eine Feinverteilung von festen Teilchen in einer metallischen Legierungsmatrix. Die Orawanverstärkung hängt von der Bildung einer Reihe von verteilten Teilchen ab, welche als Hindernisse zum Erschweren von Fließbewegungen innerhalb der Legierungsmatrix dienen. Die Festigkeit dieser teilchenverstärkten Legierungen ist umgekehrt proportional zu den Abständen zwischen diesen Teilchen, welche durch die Steuerung der Größe der Dispersoidteilchen geregelt 4

werden. Daher bietet die Anwendung von Nanoteilchen als Dispersion das Potential einer wesentlich verbesserten Legierungsfestigkeit .

Die Einführung von harten verteilten Nanoteilchen während des Verarbeitens der Nanodispersoid-verstärkten Legierungen stellt eine technische Herausforderung dar. Derzeitige Prozesse zur Verteilung der Teilchen umfassen Pulvermetallurgie-Arbeitsvorgänge, zum Beispiel mechanisches Legieren von mikrogroßen Teilchen, in Kombination mit Sekundärprozessen, welche heiß-isostatisches Pressen und thermomechanisches Verarbeiten durch Heißschmieden oder Extrudieren einschließen. In dem mechanischen Legierungsprozeß werden die Nanoteilchen durch wiederholtes Brechen der mikrogroßen Dispersoidteilchen während des Mahlens hergestellt. Während dies ein wohlbekannter Prozeß für mit Oxiddispersionen verfestigten Legierungen (ODS) in eisen- und nickelbasierten Legierungen ist (beispielsweise Inco-nel MA Legierungen), schafft es der Prozeß inbesondere für große Komponenten nicht, eine gleichmäßige Verteilung der Teilchen in der molybdänbasierten Matrix herzustellen. Zusätzlich ist die Beladung der Teilchen in den durch diesen Prozeß hergestellten Legierungskompositen im allgemeinen auf weniger als 2 Volumenprozent begrenzt.

Derzeitige Prozesse sind nicht in der Lage, Legierungsna-nokomposite mit ausreichend hoher Beladung der Nanoteilchen herzustellen. Daher ist es erforderlich, ein molybdänbasiertes Nanokomposit zu schaffen, in welchem feinverteilte Nanoteil- chen in der ganzen molybdänbasierten Matrix gleichmäßig verteilt sind. Was ebenfalls erforderlich ist, ist ein molybdänbasiertes Nanokomposit mit einer ausreichend hohen Beladung der feinverteilten Nanoteilchen mit einer hohen Temperaturlei-stung, welche für den Einsatz in Röntgentargetanordnungen geeignet ist. Weiters ist es erforderlich, ein Verfahren zur Herstellung eines molybdänbasierten Nanokomposits mit einer hohen Beanspruchung der feinverteilten Nanoteilchen zu schaffen, wobei die feinverteilten Nanoteilchen im ganzen Legie-rungs-Nanokomposit gleichmäßig verteilt sind.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Anforderungen durch Schaffen eines Nanokomposits mit einer Vielzahl von Nanoteilchen, welche in der molybdänbasierten Metallmatrix feinverteilt sind, und eines durch ein derartiges Nanokomposit gebildeten Gegenstandes. Das Nanokomposit umfaßt einen höheren Volumenanteil an Dispersionen von Nanoteilchen als die derzeit verfügbaren. Das Nanokomposit kann dazu eingesetzt werden, Gegenstände herzustellen, die zur Bildung von Teilen von Röntgentargets verwendet werden. Die vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger Nanokomposit e .

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, eine Röntgenröhre mit einem Röntgentargetsubstrat zu schaffen, wobei das Röntgentargetsubstrat ein molybdänbasiertes Nanokomposit aufweist. Das molybdänbasierte Nanokomposit umfaßt: eine metallische Matrix mit Molybdän und eine Vielzahl von in der ganzen Metallmatrix feinverteilten Nanoteilchen. Die Vielzahl von Nanoteilchen umfaßt von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des molybdänbasierten Nanokomposits.

Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, ein Nanokomposit zu schaffen. Das Nanokomposit umfaßt: eine molybdänbasierte Metallmatrix und eine Vielzahl von in der ganzen molybdänbasierten Metallmatrix feinverteilten Nanoteilchen. Die Vielzahl von Nanoteilchen umfaßt von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des molybdänbasierten Nanokomposits.

Ein drittes Ziel der Erfindung ist es, einen Gegenstand mit einem Nanokomposit zu schaffen. Das Nanokomposit umfaßt: eine molybdänbasierte Metallmatrix, wobei die molybdänbasierte Metallmatrix zumindest das Element Molybdän und eine molybdänbasierte Legierung sowie Kombinationen davon aufweist, und eine Vielzahl von in der ganzen molybdänbasierten Metallmatrix feinverteilten Nanoteilchen, wobei die Vielzahl von Nanoteilchen von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Nanokomposits umfaßt, und wobei das Nanokomposit durch Schaffen eines Nano-kompositpulvers durch mechanisches Mahlen oder Tieftemperatur-mahlen gebildet wird, Verdichten des Nanokompositpulvers zur »· ·· • · I · ··· Λ

Herstellung eines Rohlings und thermomechanisches Bearbeiten des Rohlings zur Bildung des Nanokomposits.

Ein viertes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines Hauptnanokomposits. Das Hauptnanokomposit umfaßt: eine molybdänbasierte Metallmatrix und eine Vielzahl von in der ganzen molybdänbasierten Metall-matrix feinverteilten Nanoteilchen, wobei die Vielzahl von Na-noteilchen ungefähr von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Hauptnanokomposits umfaßt. Das Verfahren umfaßt: Schaffen eines Nanokompositpulvers, wobei das Nanokompositpulver eine Vielzahl von Nanoteilchen und ein molybdänbasiertes Metallmatrixmaterial umfaßt, Verdichten des Nanokompositpulvers und thermomechanisches Bearbeiten des Nanokompositpulvers zur Bildung des Hauptnanokomposits.

Ein fünftes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Teiles eines Röntgentargets zu schaffen. Das Verfahren umfaßt: Schaffen eines Nanokomposits, wobei das Na-nokomposit eine molybdänbasierte Metallmatrix und eine Vielzahl von in der ganzen molybdänbasierten Metallmatrix feinverteilten Nanoteilchen umfaßt, wobei die Vielzahl von Nanoteilchen von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Nanokomposits umfaßt, und das Nanokomposit durch Schaffen eines Nanokompositpulvers gebildet wird, und wobei das Nanokompositpulver eine Vielzahl von Nanoteilchen und ein molybdänbasiertes Metallmatrixmaterial umfaßt, Verdichten des Nanokompositpulvers und thermomechanisches Bearbeiten des Nanokompositpulvers zur Bil- düng des Nanokomposits, und Formen des Nanokomposits in ein Nanokompositsubstrat.

Diese und andere Ziele, Vorteile und herausragende Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und angeschlossenen Ansprüchen verständlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines Röntgentargets mit einem Nanokomposit gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist ein Rasterelektronenmikroskopbild (SEM) des molybdänbasierten Nanokomposits gemäß der vorliegenden Erfindung mit Yttriumoxid.

Fig. 3 ist ein Diagramm der Fließfestigkeit in Abhängigkeit der Temperatur des derzeitigen Röntgentargetsubstratmaterials und eines molybdänbasierten Nanokomposits gemäß der vorliegenden Erfindung mit Yttriumoxid, und

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, welches die Herstellung des Nanokomposits gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

In der folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder die einander entsprechenden Teile in den dargestellten Ansichten der Figuren. Es versteht sich auch, daß die Begriffe „oben", „unten", „auswärts" und „einwärts" und dergleichen allgemeine Bedeutung haben und keinesfalls einschränkende Begriffe darstellen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Nanodispersoid-verstärkten, molybdänbasierten Nanokomposits. Zusätzlich umfaßt eine Röntgenröhre ein Röntgentargetsubstrat mit molybdänbasiertem Nanokomposit. Molybdänbasierte Nanokompositpulver werden durch Mischen von Molybdän und Molybdänlegierungspulvern mit festen Dispersoid-Nano-teilchen mit einer Größe im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm hergestellt, wobei Techniken wie mechanische Fusion und mechanisches Legieren zur Anwendung kommen. Das Nanokompositpulver wird thermomechanisch durch Schmieden, Warmwalzen oder Heißextrudieren bearbeitet, um ein Nanodispersoid-verstärktes Hauptmolybdännanokomposit herzustellen. Das molybdänbasierte Nanokomposit ergibt ein Röntgentargetsubstratmaterial mit einer wesentlich höheren Festigkeit und höherem Kriechwiderstand verglichen mit üblichen Röntgentargetsubstratmaterialien wie TZM.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen im allgemeinen und auf Fig. 1 im besonderen, versteht es sich, daß die Darstellungen zum Zweck der Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung und nicht zur Beschränkung der Erfindung dienen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnittes einer Röntgenröhre 20 mit einer Röntgentarget-Drehanordnung '····· ··· · . #Q ·_ ···· · ···· ··· ·-* · ·· ···· · · · • · · · · · ·«· 40, welche ein molybdänbasiertes Nanokomposit der vorliegenden Erfindung umfaßt. Die Targetanordnung 40 umfaßt ein Target 18 (wird auch als „Brennspur" bezeichnet), welches Röntgenstrahlen bei Beschuß mit hochenergetischen Elektronen ausstrahlt, die eine (nicht gezeigte) Kathode erzeugt und auf das Target 18 auftreffen. Das Traget 18 wird üblicherweise aus Wolfram, Rhenium oder einer Wolfram-Rheniumlegierung hergestellt. Das Traget 18 ist an der oberen Oberfläche des Tragetsubstrates 16 gebildet, welches das molybdänbasierte Nanokomposit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Das Targetsubstrat 16 umfaßt auf der Rückseite einen Graphitring 22, welcher mit dem Targetsubstrat 16 hartverlötet ist und einen Teil der Targetanordnung 12 bildet. Der Graphitring 22 wirkt als thermisches Speichermaterial. Ein mit dem TargetSubstrat 16 integral ausgebildeter Schaft 14 kuppelt die Targetanordnung 40 über einen Zylinderrotor 18 mit einem Induktionsmotor (nicht gezeigt), welcher die Targetanordnung 40 dreht. Zu den Röntgenröhren, welche in dem Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, zählen Röntgenröhren zum Einsatz in medizinischen Diagnosen, Bildge-bung und Materialbestimmung. Dennoch ist Fachleuten klar, daß andere Röntgenröhren innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.

Fig. 2 ist eine rückgestreute SEM Abbildung eines molybdänbasierten Nanokomposits 90 gemäß der vorliegenden Erfindung. Molybdänbasierte Nanokomposits 90 umfassen eine Metallmatrix 100. Die Metallmatrix 100 umfaßt Molybdän. Ein Vielzahl von Nanoteilchen 120 ist in der gesamten Metallmatrix 100 feinverteilt. Die Vielzahl von Nanoteilchen 120 umfaßt von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des molybdänbasierten Nanokom-posits.

In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt die Metallmatrix zumindest das elementare Molybdän, eine molybdänbasierte Legierung, und Kombinationen davon. In einer anderen Ausführung umfaßt jedes der Vielzahl der. Nanoteilchen 120 zumindest ein anorganisches Oxid, ein anorganisches Karbid, ein anorganisches Nitrid, ein anorganisches Borid, ein anorganisches Oxykarbid, ein anorganisches Oxynitrid, ein anorganisches Silizid, ein anorganisches Aluminid, und Kombinationen davon. Anorganische Oxide, welche die Vielzahl der Nanoteilchen 120 umfassen, weisen auf, ohne darauf beschränkt zu sein, Seltenerdoxide Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Hafniumoxid, Titanoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, und Kombinationen davon. In einer bevorzugten Ausführung ist das anorganische Oxid Yttriumoxid. Anorganische Karbide, welche die Vielzahl der Nanoteilchen 120 umfassen, weisen auf, ohne darauf beschränkt zu sein, Karbide von zumindest Hafnium, Tantal, Molybdän, Zirkon, Niob, Chrom, Titan, Wolfram, und Kombinationen davon.

Das molybdänbasierte Nanokomposit umfaßt eine Metallmatrix 100, welche Matrixkörner 110 aufweist, und eine Vielzahl von in der gesamten Metallmatrix 100 feinverteilten Nanoteilchen 120. Die Vielzahl der Nanoteilchen 120 umfaßt von etwa 2 bis etwa 10 Volumenprozent des Nanokomposits 90. Insbesondere zeigt Fig. 2 ein molybdänbasiertes Nanokomposit 90, in welchem die Metallmatrix Molybdän und die Vielzahl der Nanoteilchen 120 Yttriumoxid (Y203) aufweisen. Jedes der Vielzahl der Nanoteilchen 120 weist zumindest eine Dimension 140 im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm auf. In einer Ausführung ist zumindest eine Dimension 140 jedes der Vielzahl der Nanoteilchen 120 im Bereich zwischen etwa 10 nm bis etwa 30 nm. In einer Ausführung weist jedes der Vielzahl der Nanoteilchen 120 im wesentlichen Kugelform 200 auf. In einer anderen Ausführung der Erfindung kann jedes der Vielzahl der Nanoteilchen 120 Ellipsenform haben. Alternativ kann die Vielzahl der Nanoteilchen 120 eine Mischung von Nanoteilchen mit einer Vielfalt derartiger Formen umfassen. Jedes der Vielzahl der Nanoteilchen 120 kann auch die Gestalt einer Nadel, eines Stabes, eines Würfel und dergleichen haben.

Ein Verfahren zur Stärkung der Legierungen ist ein als Orowanverstärkung bekannter Mechanismus, in welchem eine feinverteilte Beimischung der festen Teilchen in einer Legierung vorhanden ist. In diesem Verstärkungsmechanismus verhindert eine Reihe feinverteilter Teilchen eine Fließbewegung. Die Festigkeit derartiger teilchenverstärkter Legierungen ist umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Dispersoidteil-chen. Der Abstand zwischen den Dispersoidteilchen kann durch die Steuerung der Größe der Dispersoidteilchen geregelt werden. Bei vorgegebenen Volumen der Dispersoidteilchen kann der 122

Einsatz von Dispersoidteilchen mit einer Größe im Nanometerbereich den Abstand verkleinern und folglich im wesentlichen die Legierungsfestigkeit verbessern.

Derzeit eingesetzte Prozesse zur Feinverteilung der Teilchen umfassen metallurgische Arbeitsvorgänge, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, das Mischen von Pulvern, gefolgt von Heißpressen oder heißem isostatischen Pressen zur Verdichtung der Pulvermischung, und Sintern der Kombination in einem zweiten Prozeß, beispielsweise mechanische Legierungsprozesse und dergleichen. In dem mechanischen Legierungsprozeß werden Nanoteilchen durch wiederholtes Brechen der mikrogroßen Nanoteilchen während des Mahlens geschaffen. Derartige Prozesse schaffen es insbesondere nicht für große Komponenten, eine homogene Teilchenverteilung innerhalb der Legierung herzustellen. Zusätzlich ist die Beladung mit Teilchen in durch derartige Prozesse gebildete Legierungen üblicherweise auf weniger als 2 Volumenprozent beschränkt.

Dementsprechend überwindet das durch die vorliegende Erfindung geschaffene molybdänbasierte Nanokomposit die Bela-dungs- und Verteilungsbeschränkungen, die bei den derzeit dispersionsverstärkten Legierungen angetroffen werden. Fig. 3 ist ein Diagramm der Fließfestigkeit über der Temperatur für derzeitige Röntgentarget-Substratmaterialien und ein molybdänbasiertes Nanokomposit 90 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie Fig. 3 zeigt, schafft die Erfindung ein molybdänbasiertes Nanokomposit 90 mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften infolge Dispersoidverstärkung durch Schaffen eines größeren Volumenanteils der Dispersoid-Nanoteilchen als derzeit erreichbare Beladungen. Die Vielzahl der Nanoteilchen 120 umfassen von etwa 2 Volumenprozent bis etwa 10 Volumenprozent des molybdänbasierten Nanokomposits 90.

Die größeren Volumenbeladungen der Vielzahl der Nanoteilchen 120 gemäß der vorliegenden Erfindung schafft ein molybdänbasiertes Nanokomposit 90 mit mechanischen Eigenschaften, welche im Vergleich zu den Materialien nach dem derzeitigen Stand der Technik ausgezeichnet sind. Das molybdänbasierte Nanokomposit 90 zeigt auch bei höheren Temperaturen größere mikrostrukturelle Stabilität, was die Beibehaltung der Fließ-und der Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen im Vergleich zu den derzeit mittels einer Oxiddispersion verstärkten Legierungen (ODS) erlaubt. Molybdänbasierte Nanokomposits 90 sind thermisch bis auf etwa 1200° C stabil, und weisen eine Festigkeit in einem Bereich von etwa 400 MPa bis etwa 1200 MPa auf. Molybdänbasierte Nanokomposits 90 zeigen eine mehrfache Erhöhung der Druckfestigkeit und der Hochtemperatur-Stabilität im Vergleich zum Stand der Technik.

Zusätzlich zu dem molybdänbasierten Nanokomposit 90 und der Röntgenröhre, die molybdänbasiertes Nanokomposit 90 auf-weist, schafft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines molybdänbasiertes Nanokomposits 90. Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines molybdänbasierten Nanokomposits 90.

Bezugnehmend auf Schritt 310 in Fig. 4 wird zuerst eine Vielzahl von Nanoteilchen 120 mit einem molybdänbasierten Me-tallmatrixmaterial, wie beispielsweise einem Legierungspulver, kombiniert, um ein Nanokompositpulver zu bilden. In einer Ausführung wird das Nanokompositpulver durch Mischen von zumindest einem molybdänbasierten Metalllegierungspulver mit einem vorbestimmten Volumenanteil der festen Dispersoid-Nanoteilchen mit zumindest einer Dimension im Bereich von etwa 10 nm bis etwa 500 nm ausgebildet. Die Dispersoidteilchen umfassen von etwa 2 Volumenprozent bis etwa 20 Volumenprozent des Hauptna-nokomposits. Techniken, wie etwa mechanische Fusion, mechanisches Legieren, Tieftemperaturmahlen und dergleichen, werden getrennt oder in Kombination miteinander eingesetzt, um ein Nanokompositpulver zu bilden.

In einer Ausführung wird das Nanokompositpulver durch in situ-Bildung der Dispersoid-Nanoteilchen 120 innerhalb einer legierten molybdänbasierten Metallmatrix 100 erzeugt. Dies wird durch Tieftemperaturmahlen der mikrogroßen Teilchen des metallischen Legierungsmatrixmaterials in einer reaktiven Atmosphäre erzielt, die zumindest Stickstoff oder Kohlenwasserstoff aufweist. Die in der reaktiven Atmosphäre vorhandenen Gase können zusätzlich als Kühlmittel für das Tieftemperaturmahlen dienen. Alternativ kann Tieftemperaturmahlen in einer inert Atmosphäre mit beispielsweise zumindest Argon und Helium durchgeführt werden. - 3.5 • · ♦ · ♦ · • ··♦ · # ··· ··· · t · ··· · ♦ · • ♦ · · ♦ · ·

Das Tief temperaturmahl-Rohmaterial umfaßt zumindest ein molybdänbasiertes Metallpulver. Das molybdänbasiertes Metall-pulver weist zumindest das Element Molybdän und eine molybdänbasierte Legierung, und Kombinationen davon auf. In einer Ausführung umfaßt die molybdänbasierte Legierung zumindest ein Metallelement, das von Natur aus entweder reaktiv oder feuerfest ist. Derartige metallische Elemente umfassen, sind aber keinesfalls auf diese beschränkt, Al, Cr, Ti, Nb, Ta, W, B, Zr, Hf, Kombinationen davon und dergleichen. Diese Elemente können entweder molybdänbasiertes Metallpulver aufweisen oder als eigene Elemente hinzugefügt werden, welche die Dispersoid-Nanoteilchen durch Kombination mit dem Reaktionsgas während des Tieftemperaturmahlens bilden. Die Nanoteilchen 120, umfassend die Metallelemente, werden durch Tieftemperaturmahlen derartiger molybdänbasierten Legierungen gebildet. Der Tieftemperaturmahl Vorgang trennt hochreaktive nanogroße Teilchen von mikrogroßen Teilchen des molybdänbasierten Matrixmaterials. Falls die Molybdän-Nanoteilchen in einer reaktiven Atmosphäre tieftemperaturgemahlen werden, reagieren diese mit dem reaktiven Gas, um feste Dispersoidteilchen zu bilden, wie beispielsweise Oxide, Karbide, Nitride sowie Kombinationen davon und dergleichen. Die harten Dispersoidteilchen umgeben jedes der mikrogroßen Teilchen des metallischen Legierungsmatrixmaterials, um die feine Verteilungsbeimischung zu erzielen, das für die OrowanverStärkung erforderlich ist. • ·

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Das Nanokompositpulver wird anschließend verdichtet (Schritt 320) und thermomechanisch bearbeitet (Schritt 330) , um ein Nanodispersoid-verstärktes, molybdänbasiertes Hauptna-nokomposit zu bilden. Die Verdichtung des Nanokompositpulvers (Schritt 320) zu einem Preßkörper wird mit Techniken durchgeführt, die in der Metallurgie bekannt sind, beispielsweise Kaltpressen, Heißpressen, heißes isostatisches Pressen und dergleichen. Der Schritt 330 wird mit Techniken durchgeführt, beispielsweise Schmieden, Heißextrusion, Heißwalzen, entweder getrennt oder in Kombination mit anderen, ist aber keinesfalls auf diese Techniken beschränkt. In einer anderen Ausführung wird das Nanodispersoid-verstärkte, molybdänbasierte Nanokom-posit 90 aus dem verdichteten Nanokompositpulver-Preßkörper durch eine starke plastische Verformung des Nanokompositpulver -Preßkörpers gebildet. Eine derartige plastische Verformung kann durch gleich axiale Winkelkanalverarbeitung, Torsionsextrusion oder Twistextrusion des Nanokompositpulvers erzielt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Vorteile und Merkmale der Erfindung, es ist aber nicht beabsichtigt, die Erfindung dadurch auf irgendeine Weise einzuschränken.

Das molybdänbasierte Nanokomposit wird mit den folgenden Schritten hergestellt. Molybdänpulver (-325 Maschen (44 Mikrometer) ) wird zuerst mit 50-100 nm großen Yttriumoxid-Nanoteil-chen unter Einsatz von mechanischer Fusion gemischt, wobei die Yttriumoxid-Nanoteilchen mechanisch in das Molybdänpulver ge- - a.7:- • · · · · · • ··· · · ··· ··· • · · ··· · · « • · · · · · schmolzen oder eingebettet werden, um Nanokompositpulver zu erhalten. Der Volumenanteil der Yttriumoxid-Nanoteilchen reicht von 2 bis 10 Volumenprozent. Das Nanokompositpulver wird anschließend in eine rostfreie Stahlbüchse eingeschlossen, welche danach evakuiert und abgedichtet wird. Alternativ können Materialien mit einer höheren Festigkeit und Temperaturbeständigkeit, wie Molybdän, als Büchsenmaterial eingesetzt werden, um eine Extrusion bei erhöhten Temperaturen zu ermöglichen. Das erzeugte Nanokompositpulver wird zunächst durch Extrudieren der Büchse gegen eine Form mit flacher Oberfläche bei 1300° C verdichtet. Die Büchse wird anschließend in Vorbereitung für eine Matrizenextrusion wiederbearbeitet. Die wiederbearbeitete Büchse wird anschließend heißextrudiert, bei einer Temperatur von 1300° C mit einem 9:1 Verkleinerungsverhältnis. Das erzeugte molybdänbasierte Nanokomposit wird durch Rasterelektronenmikroskopie geprüft, um sowohl die Matrixkorngröße und die Dispersionsgröße als auch die Verteilung in der Molybdänmatrix zu festzustellen. Fig. 2 ist eine SEM Abbildung des molybdänbasierten Nanokomposits, welche die Yttriumoxid-Nanoteilchen 120, 200, 220 zeigt, die an den Korngrenzen des

Molybdän-Matrixmaterials einheitlich verteilt sind. Die Yttriumoxid-Nanoteilchen zeigen verschiedene Formen, umfassend im wesentlichen Kugelgestalten 200 und im wesentlichen Ellipsengestalten 220. Zugprüfungen werden durchgeführt, um die Eignung von molybdänbasiertem Nanokomposit als Targetmaterial zu bestätigen. Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Fließfestigkeit über - JL8 • · • · · * « · • ··· · · ··· ··· 1 · · · ··· · · · • · · · · · · der Temperatur für derzeitige Röntgentargetsubstratmaterialien und für ein molybdänbasiertes Nanokomposit. Das molybdänbasierte Nanokomposit (bezeichnet als „nano ODS Mo" in Fig. 3) zeigt eine Fließfestigkeit, welche etwa dreimal so groß ist wie jene derzeitiger Röntgentargetmaterialien. Während übliche Ausführungen zwecks Erläuterung dargelegt wurden, sollte die vorstehende Beschreibung nicht als einschränkend für den Umfang der Erfindung gehalten werden. Dementsprechend kann ein Fachmann verschiedene Modifikationen, Anpassungen und Alternativen durchführen, ohne den Geist und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Röntgenröhre (20) mit zumindest einem Röntgentarget-Substrat (16), wobei das Röntgentargetsubstrat (16) ein molybdänbasiertes Nanokomposit (90) aufweist, umfassend: a) eine Metallmatrix (100) mit Molybdän, und b) eine Vielzahl von in der gesamten Metallmatrix (100) verteilten Nanoteilchen (120), wobei die Vielzahl von Nano-teilchen (120) von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des molybdänbasierten Nanokomposits (90) umfaßt.
2. 2. Röntgenröhre (20) nach Anspruch 1, bei welcher die Metallmatrix (100) zumindest ein elementares Molybdän oder eine molybdänbasierte Legierung, und Kombinationen davon umfaßt.
3. 3. Röntgenröhre (20) mit einem Nanokomposit (90), umfassend: a) eine molybdänbasierte Metallmatrix (100), welche zumindest ein vom elementares Molybdän oder eine molybdänbasierte Legierung, und Kombinationen davon umfaßt, und b) eine Vielzahl von in der gesamten molybdänbasierten Metallmatrix (100) verteilten Nanoteilchen (120), wobei die Vielzahl von Nanoteilchen (120) von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Nanokomposits (90) umfaßt, und wobei das Nanokomposit (90) durch Herstellen eines Nanokompositpulvers durch mechanisches Mahlen oder Tieftemperaturmahlen, Verdichten (320) des Nanokompositpulvers zur Bildung eines Rohlings, feo: - » ·· ·· ··· · ··· · · ··· ··· • · ··· · · · • ♦ · · · · thermodynamisches Verarbeiten (330) des Rohlings zur Bildung des Nanokomposits (90) gebildet ist.
4. 4. Röntgenröhre (20) nach Anspruch 1 oder 3, bei welcher jedes der Vielzahl der Nanoteilchen (120) zumindest ein anorganisches Oxid, ein anorganisches Karbid, ein anorganisches Nitrid, ein anorganisches Borid, ein anorganisches Oxykarbid, ein anorganisches Oxynitrid, ein anorganisches Silizid, ein anorganisches Aluminid, und Kombinationen davon umfaßt.
5. 5. Nanokomposit (90) mit: a) einer molybdänbasierten Metallmatrix (100), und b) einer Vielzahl von in der gesamten molybdänbasierten Metallmatrix (100) verteilten Nanoteilchen (120), wobei die Vielzahl von Nanoteilchen (120) etwa 2 bis 20 Volumenprozent des Nanokomposits (90) umfaßt.
6. 6. Verfahren (300) zur Schaffung eines Hauptnanokomposits (90) , welches eine molybdänbasierte Metallmatrix (100) und eine Vielzahl von in der gesamten molybdänbasierten Metallmatrix (100) verteilten Nanoteilchen (120) aufweist, wobei die Vielzahl von Nanoteilchen (120) von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Hauptnanokomposits (90) umfaßt, wobei das Verfahren (300) die Schritte aufweist: a) Herstellen eines Nanokompositpulvers, welches eine Vielzahl von Nanoteilchen (120) und ein molybdänbasiertes Metallmatrixmaterial (100) umfaßt; b) Verdichten (320) des Nanokompositpulvers, und r • · • · I · t · • ··· « · ··· ··· · · ···· · · · • · · · · · ♦ c) thermomechanisches Verarbeiten (330) des Nanokompo-sitpulvers zur Bildung des Hauptnanokomposits (90).
7. 7. Verfahren (300) zur Schaffung eines Teiles eines Röntgentargets (40), welches die Schritte umfaßt: a) Schaffung eines Nanokomposits (90), welches eine molybdänbasierte Metallmatrix (100) und eine Vielzahl von in der gesamten molybdänbasierten Metallmatrix (100) verteilten Nano-teilchen (120) aufweist, welche Vielzahl von Nanoteilchen (120) von etwa 2 bis etwa 20 Volumenprozent des Nanokomposits (90) umfaßt, wobei das Nanokomposit (90) durch Schaffung eines Nanokompositpulvers, welches eine Vielzahl von Nanoteilchen (120) und ein molybdänbasiertes Metallmatrixmaterial (100) aufweist, Verdichten (320) des Nanokompositpulvers und thermomechanisches Verarbeiten (330) des Nanokompositpulvers zur Schaffung des Nanokomposits gebildet wird, und b) Formen des Nanokomposits zu einer Nanokompositscheibe.
8. 8. Verfahren (300) nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem der Schritt des Schaffens des Nanokompositpulvers das Bilden der Vielzahl von Nanoteilchen (120) mittels zumindest einem der Schritte: mechanische Fusion, mechanisches Legieren, Tief-temperaturmahlen, und Kombinationen davon umfaßt.
9. 9. Verfahren (300) nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem der Schritt des Verdichtens (320) des Nanokompositpulvers das Pressen des Nanokompositpulvers zur Bildung eines Preßkörpers umfaßt. r • · · - ¢2.- - • ··· ··· • · · · • · · ·
10. 10. Verfahren (300) nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem der Schritt des thermodynamischen Verarbeitens (330) des Nano-kompositpulvers zumindest einen der Schritte: Schmieden, Heißextrudieren, Unterwerfung des Nanokompositpulver-Preßkörpers einer starken plastischen Verformung und Heißwalzen des Nano-kompositpulvers umfaßt.