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Die Erfindung betrifft eine Anode mit zumindest einem Grundkörper aus wenigstens einem ersten Werkstoff und mit zumindest einem Wärmeleitkörper aus wenigstens einem zweiten Werkstoff.
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Eine derartige Anode, die Bestandteil eines Drehkolbenstrahlers ist, ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 034 687 B3 bekannt. Der Wärmeleitkörper umfasst zumindest ein Wärmeleitelement, das an einer abgewandten Außenseite eines Grundkörpers angeordnet ist. Der Grundkörper weist hierzu an der abgewandten Außenseite eine Struktur zur Aufnahme der Wärmeleitelemente unter Ausbildung von Dehnungsfugen auf. Durch den Wärmeleitkörper bzw. durch die Wärmeleitelemente wird die Ableitung der Wärme verbessert, die im Bereich des Brennflecks bzw. der Brennbahn von den auftreffenden Elektronen im Grundkörper erzeugt wird.
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In der
DE 10 2004 003 368 A1 ist eine Anode beschrieben, die als Drehanodenteller, insbesondere für eine Hochleistungs-Drehkolbenröhre mit direkter Anodenkühlung, ausgebildet ist. Ein aus einem ersten Werkstoff gefertigter Grundkörper weist unterhalb der Brennbahn eine gegenüber dieser verbreiterte Ringaussparung auf, in der ein ringförmiger Wärmeleitkörper aus einer Schichtfolge von zweiten Werkstoffen angeordnet ist.
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Weiterhin ist in der
DE 10 2004 003 370 A1 eine Anode offenbart, die als Hochleistungsanodenteller für eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre ausgeführt ist. Im Bereich der Brennfleckbahn ist an bzw. in der Unterseite eines Grundkörpers, der aus einem ersten Werkstoff gefertigt ist, wenigstens ein Wärmeleitkörper aus einem zweiten Werkstoff angeordnet.
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In den bekannten Fällen wird der zweite Werkstoff (z. B. Kupfer) üblicherweise angelötet. Um Flächenlötungen plan und porenfrei zu verlöten, sind mehrere Wärmebehandlungen mit Zwischenbearbeitungen erforderlich. Die mechanische Festigkeit der Flächenlötung ist als knapp ausreichend zu bewerten.
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Alternativ bietet sich nach dem Stand der Technik der HIP-Prozess (Heiß-isostatisches Pressen) an. Wegen der sehr geringen beidseitigen Löslichkeit von Molybdän und Kupfer zeigen solche Verbindungen eine solch geringe Festigkeit, dass beim Heraussägen für Zugproben die Halbzeuge auseinanderfallen.
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Die
EP 0 55 083 B1 offenbart eine Anode mit einem Grundkörper aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung (z. B. TZM – Titan-Zirkon-Molybdän) und einem Wärmeleitkörper aus Graphit. Der Wärmeleitkörper ist über eine Zwischenschicht aus Hartlotmetall (Vanadium oder Titan) unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung mit dem Grundkörper verbunden. Die Diffusionsverbindung wird durch ein vollständiges Schmelzen des Hartlotmetalles und durch ein Vermischen mit dem Molybdän erreicht.
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Aus der
DE 100 56 623 A1 ist eine Anode bekannt, die einen Anodenkörper (Grundkörper) aus Kupfer oder Silber aufweist. Der Anodenkörper ist über eine Zwischenschicht aus Titan oder Molybdän mit einer Oberflächenschicht verbunden. Die Oberflächenschicht besteht aus einem Seltenerdmetall, vorzugsweise Gadolinium oder Dysprosium. Durch die Zwischenschicht wird verhindert, dass die Oberflächenschicht eine Verbindung mit dem Anodenkörper eingeht. Die Zwischenschichtmaterialien können zwar eine Verbindung mit dem Seltenerdmetall eingehen, weisen jedoch wenig oder keine Diffusion auf. Die Zwischenschicht wirkt also als Diffusionssperre.
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Die
US 4,777,643 beschreibt eine Anode mit einem Grundkörper aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung und einem Wärmeleitkörper aus Graphit. Der Wärmeleitkörper ist über eine Zwischenschicht aus einem Verbundmaterial unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung mit dem Grundkörper verbunden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anode zu schaffen, die einfach herstellbar ist und eine hohe Festigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Anode nach Anspruch 1 umfasst zumindest einen Grundkörper aus wenigstens einem ersten Werkstoff und zumindest einen Wärmeleitkörper aus wenigstens einem zweiten Werkstoff, wobei zumindest ein Wärmeleitkörper über eine aus einem dritten Werkstoff hergestellte Zwischenschicht unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung mit zumindest einem Grundkörper verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der erste Werkstoff Molybdän, der zweite Werkstoff Kupfer und der dritte Werkstoff austenitischer Edelstahl, wobei die Diffusionsverbindung durch einen HIP-Prozess hergestellt ist.
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Im Vergleich zu einem Gießvorgang sind die Zwischenschicht, welche die Grundlage für die Ausbildung der Diffusionsverbindung zwischen Wärmeleitkörper und Grundkörper bildet, sowie die anschließende Ausbildung der Diffusionsverbindung mit einem geringeren fertigungstechnischen Aufwand realisierbar.
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Durch die Ausbildung einer Diffusionsverbindung zwischen Grundkörper und Wärmeleitkörper wird eine hohe Festigkeit der Anode erzielt. Der Grund hierfür ist, dass die ”Naht” zwischen Grundkörper und Wärmeleitkörper eine größere Festigkeit aufweist als der zweite Werkstoff, aus dem der Wärmeleitkörper hergestellt ist. Der Wärmeleitkörper ist damit auch bei hohen Betriebstemperaturen und/oder bei hohen Drehzahlen der Anode fest mit dem Grundkörper verbunden.
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Bevorzugte Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 5 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht vor Ausbildung der Diffusionsverbindung als Folie, Pulver oder Granulat vorliegt, wobei die Folie gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eine Schichtdicke von etwa 0,1 bis 0,2 mm aufweist.
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Die Diffusionsverbindung zwischen Grundkörper und Wärmeleitkörper ist erfindungsgemäß durch einen HIP-Prozess (Heiß-isostatisches Pressen) realisiert. Für das HIP-Verfahren stellt die vorhandene Zwischenschicht einen geeigneten ”Haftvermittler” dar. Ohne einen derartigen ”Haftvermittler” kann bei Molybdän als ersten Werkstoff und Kupfer als zweiten Werkstoff mit einem HIP-Prozess keine ausreichende Festigkeit zwischen Grundkörper und Wärmeleitkörper erzielt werden. Die Festigkeit, die bei einem HIP-Verfahren ohne ”Haftvermittler” erzielt wird, ist kleiner als die Streckgrenze von Kupfer, die ca. 50 MPa beträgt. Die mangelhafte Festigkeit ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass die gegenseitige Löslichkeit von Kupfer und Molybdän auch bei Festkörpertemperaturen von 1000°C und höher extrem gering ist.
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Nachfolgend ist ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anode in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die einzige Figur zeigt die Anode in einer Schnittdarstellung. Auch die genannten Maße und Materialien sind lediglich als beispielhafte Angaben zu verstehen, welche die Erfindung nicht beschränken.
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Eine in der Zeichnung dargestellte Anode umfasst einen Grundkörper 1 aus einem ersten Werkstoff und einen Wärmeleitkörper 2 aus einem zweiten Werkstoff. Im Rahmen der Erfindung kann die Anode auch mehr als einen Grundkörper 1 sowie mehr als einen Wärmeleitkörper 2 umfassen. Sowohl der Grundkörper 1 als auch der Wärmeleitkörper 2 müssen nicht notwendigerweise nur aus einem einzigen ersten bzw. zweiten Werkstoff hergestellt sein. Sie können vielmehr auch aus mehreren unterschiedlichen ersten bzw. zweiten Werkstoffen hergestellt sein.
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Der Wärmeleitkörper 2 ist über eine aus einem dritten Werkstoff hergestellte Zwischenschicht 3 unter Ausbildung einer Diffusionsverbindung mit dem Grundkörper 1 verbunden.
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Im Rahmen der Erfindung müssen bei mehren Grundkörpern und bei mehreren Wärmeleitkörpern nicht alle Grundkörper mit ihren zughörigen Wärmeleitkörpern über Zwischenschichten miteinander verbunden sein. Vielmehr sind auch Varianten von der Erfindung umfasst, bei denen aus konstruktiven Gründen nicht zwischen allen Grundkörpern und Wärmeleitkörpern eine Zwischenschicht angeordnet ist. Falls mehrere Zwischenschichten vorgesehen sind, müssen diese nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material bestehen.
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Im Folgenden wird aus Gründen der Vereinfachung die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel mit einem einstückigen Grundkörper 1 und mit einem einstückigen Wärmeleitkörper 2 sowie mit einer Zwischenschicht 3 erläutert, wobei der Wärmeleitkörper 2 auf der Rückseite des Grundkörpers 1 angeordnet ist und diese vollständig bedeckt. Es versteht sich in diesem Zusammenhang von selbst, dass der Wärmeleitkörper auch in Aussparungen des Grundkörpers angeordnet sein kann (in der Zeichnung nicht dargestellt).
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Erfindungsgemäß ist bei der in der Zeichnung dargestellten Anode der Grundkörper 1 aus Molybdän (Mo als erster Werkstoff) gefertigt und der Wärmeleitkörper 2 aus Kupfer (Cu als zweiter Werkstoff mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als der erste Werkstoff Mo) hergestellt.
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Bei dem für die Herstellung der Diffusionsverbindung erfindungsgemäß benutzten HIP-Verfahren (Heiß-isostatisches Pressen) kann man auf die Verwendung von sauerstofffreiem Kupfer verzichten, da die am Herstellungsprozess der Anode beteiligten Werkstoffe während des HIP-Prozesses im Vakuum gekapselt sind. Darüber hinaus sind die nachfolgenden Wärmeprozesse im Vakuumofen mit seiner typischen Restwasserstoffatmosphäre nicht bei solchen Temperaturen notwendig, welche die so genannte ”Wasserkrankheit” (interkristalline versprödende Rissbildungen) bei Kupfer verursachen können.
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Für die Werkstoffkombination Molybdän – OFHC-Kupfer (Oxygen Free High Conductivity) wurden drei Zugproben mit Zwischenschichten 3, die jeweils als Folie mit einer Schichtdicke von 0,2 mm ausgeführt waren und als ”Haftvermittler” wirkten, getestet. Die Zwischenschichten bestanden aus den folgenden dritten Werkstoffen:
Lotwerkstoff CuPd 82-18,
Cr-Stahl X10 Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4006) und
austenitischer Edelstahl X5 CrNi18-10 (Werkstoff-Nr. 1.4301).
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Die Verbindung, die durch die Zwischenschicht 3 (Folie) aus austenitischem Edelstahl X5 CrNi18-10 hergestellt wurde, wies die höchste Festigkeit auf. Im Zugversuch bricht das Kupfer (zweiter Werkstoff, aus dem der Wärmeleitkörper 2 der Anode besteht), bevor die von der Zwischenschicht 3 gebildete Diffusionsverbindung aufbricht. Die im Versuch gemessene Bruchfestigkeit von sauerstofffreiem Kupfer von 195 MPa hat die im HIP-Verfahren von der Zwischenschicht 3 ausgebildete Diffusionsverbindung ohne jegliche Schädigung überstanden.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Dicke des Grundkörpers 1 zwischen ca. 20% und ca. 80% der Dicke des Anodenkörpers betragen. Gleiches gilt für den Wärmeleitkörper 2, dessen Dicke ebenfalls zwischen etwa 20% und etwa 80% der Dicke des Anodenkörpers betragen kann.
