EP0874385A1 - Method of manufacturing an anode for x-ray tubes - Google Patents
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- EP0874385A1 EP0874385A1 EP98201236A EP98201236A EP0874385A1 EP 0874385 A1 EP0874385 A1 EP 0874385A1 EP 98201236 A EP98201236 A EP 98201236A EP 98201236 A EP98201236 A EP 98201236A EP 0874385 A1 EP0874385 A1 EP 0874385A1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an anode for X-ray tubes consisting of a base body and one of these different X-ray emitting coating.
- Such materials are used to generate X-rays, when subjected to a focused electron beam Emit x-rays.
- the refractory metals tungsten and Molybdenum and its alloys are, for example, such materials that depending on the desired type of X-ray radiation.
- rotating anodes are often used for X-ray tubes in the form of axially symmetrical blanks for the production of X-rays used.
- the so-called focal path in area directly affected by the electron beam from the X-ray generating material as a comparatively thin coating executed while the main body of the rotating anode made of others high-melting materials.
- the focal track covering is mainly made using powder metallurgy Process made by pressing, sintering and forging.
- metallic He is preferably materials for the base body in one operation produced with the base body by layering the powder mixtures, with which Density values from 96% to 98% of theoretical density achieved as standard will.
- Such a manufacturing process for the focal track covering is inexpensive, but leads to properties, particularly with regard to his fatigue crack behavior are not yet optimal.
- the object of the invention is therefore to provide a method for producing anodes for X-ray tubes, by means of which the cost-effective production of the X-ray-emitting coating is made possible, the coating with regard to its usage behavior, in particular its fatigue crack resistance, at least fully corresponds to the standard which is still common today or even exceeds it. According to the invention this is achieved in that the X-ray emitting coating is applied by inductive plasma spraying.
- the coating emitting X-rays passes through repeated overlaying of individual spray layers with a total thickness between 0.4 mm and 0.7 mm is applied. As a rule, this is a 20 - 50 overlaying of individual layers of the spray layer is recommended be.
- a particularly favorable variant of the method according to the invention is reached when emitting X-rays before application Covering in the area of this covering in the base body of the anode Recess of a little more than the depth of the desired covering thickness is incorporated. In this way, the surface of the covering can simple smoothing to a level with the adjacent surface of the Anode body are brought.
- the Separation under an inductively coupled power between 50 kW and 100 kW and under a delivery rate of the wettable powder between 10 g / min and 50 g / min takes place. Under these conditions there is a total Melting and sufficient overheating of the melt droplets.
- the plasma jet and the base body are used to produce rotating anodes the rotating anode moves against each other in such a way that the central point of impact of the plasma particle stream on the anode surface and the Rotating anode axis concentric center line of the active Focal path area coincide at least approximately, the Particle flow of the plasma jet is set so that the within the particle stream of the plasma jet that only hits the active focal path region includes that area which is within the half-width of the Gaussian Particle distribution of the generated complete plasma jet lies.
- the edge region of the layer which is less favorable for the layer construction Plasma rays largely shifted to areas of the anode surface that are outside the active focal path area.
- the focal path area is that for the generation of X-rays directly from Understand the electron beam area.
- the rotating anode is finally one Is subjected to annealing treatment.
- the purpose of this annealing is both one further improvement of the structural properties through diffusion processes as also degassing the anode.
- the type of annealing treatment is among others depending on the material from which the base body of the rotating anode is made has been. In the case of a base body made of high-melting metal, the Annealing treatment at temperatures between 1,200 ° C and 1,600 ° C during 1 to 20 hours while rotating anodes where graphite is used for the body was used, usually at temperatures up to 1,300 ° C is carried out for up to about 10 hours. in case of an Graphite base body is the possible formation of disadvantageous carbides in the border area by known diffusion barrier layers, e.g. Rhenium, advantageously delayed.
- the method according to the invention can be used in a particularly advantageous manner be applied when the base body of the anode is made of graphite, molybdenum or a molybdenum alloy and the X-ray emitting coating consists of a tungsten-rhenium alloy.
- the individual base bodies were coated by means of an inductively heated plasma cannon with an inner diameter of 50 mm and a power of 65 kW with spray powder made of a tungsten alloy with 5% rhenium in a powder fraction between 15 and 63 ⁇ m.
- the wettable powder was introduced axially at a rate of 30 g / min using Ar carrier gas.
- the base bodies were heated to 1500 ° C.
- the speed of rotation of the base body was 10 rpm.
- the plasma cannon was moved laterally to the center line of the focal track covering concentric to the rotating anode axis, in such a way that the axis of the plasma cannon continuously exceeded this center line alternately on both sides up to a maximum of 5 mm at a speed of 2 mm / sec.
- a focal track covering with a total thickness of about 1 mm and a width of 25 mm was applied in this way through approximately 50 individual layers deposited one above the other.
- the rotating anodes which had cooled to below 100 ° C., were removed from the vacuum chamber and then the focal track covering was ground to a thickness of 0.7 mm. Finally, the rotary anodes finished in this way were subjected to high vacuum annealing at a temperature of 1600 ° C. for 90 minutes.
- the same disk-shaped base bodies as were used for the application of the method according to the invention were produced with a 0.8 mm thick focal track covering from a tungsten-5-rhenium alloy by powder metallurgy.
- a layer of the TZM powder mixture for the base body on the one hand and the tungsten-rhenium alloy for the focal track coating on the other hand was produced and pressed, the compact was sintered and the final shape was produced by forging and mechanical processing. Finally, the rotating anodes were subjected to the same high vacuum annealing as those produced according to the invention.
- the focal track coverings applied according to the invention had a Density of 97.2% of the theoretical density, while the Powder metallurgy produced focal track coverings a density of 97.4% had theoretical density.
- a similar Rotating anode base body as in production example 1 in the area of Burning path incorporated an annular groove of 0.8 mm depth. After that was the rotating anode body with the substantially similar Coating conditions according to the inventive method coated according to production example 1.
- the rotating anodes produced according to the invention or according to the prior art according to production example 1 were installed in a test bench for X-ray rotating anodes and cyclically tested under the usual conditions with the following parameters: Tube voltage 90 kV Tube current 400 mA Shot duration 2 sec break time 58 sec
- the test was randomly interrupted at specified times the furrow roughening that had occurred up to that point as a measure of the Fatigue crack resistance and the associated reduction in X-ray dose yield to be determined.
- the structure of the induction plasma-sprayed combustion path according to FIG. 3 shows one fundamentally different morphology than that of powder metallurgy produced focal path according to Figure 4.
- the inductive plasma spraying striking enamel droplets crystallize transcrystalline as they solidify from, which in turn serve as a crystallization surface for the subsequent melting droplets. This will do it once present growth direction of the layer at least over many Maintain melt droplets largely and they do not form lamellar usually observed in conventional plasma spraying Structural structures with poorly bound grain boundaries as shown in FIG. 5 clearly using the example of one produced by conventional plasma spraying Focal path coating of a rotating anode can be seen.
- Fatigue of the focal track covering at Rotary anode produced according to the invention occurs in the form of essentially microcracks running perpendicular to the surface appear however less harmful in terms of roughening the surface impact as those cracks in the powder metallurgically manufactured rotating anode.
- the greater roughening and the destabilization of the surface structure in the case of the powder anode made rotating anode by failure of the Grain boundaries can be clearly seen in FIG. 4.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anode für Röntgenröhren bestehend aus einem Grundkörper und einem von diesem unterschiedlichen Röntgenstrahlung emittierenden Belag.The invention relates to a method for producing an anode for X-ray tubes consisting of a base body and one of these different X-ray emitting coating.
Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung werden solche Materialien eingesetzt, die bei Beaufschlagung durch einen fokussierten Elektronenstrahl Röntgenstrahlen emittieren. Die hochschmelzenden Metalle Wolfram und Molybdän und deren Legierungen sind beispielsweise derartige Materialien, die je nach gewünschter Art der Röntgenstrahlung eingesetzt werden.Such materials are used to generate X-rays, when subjected to a focused electron beam Emit x-rays. The refractory metals tungsten and Molybdenum and its alloys are, for example, such materials that depending on the desired type of X-ray radiation.
In der medizinischen Diagnostik werden vielfach Drehanoden für Röntgenröhren in Form von axialsymmetrischen Ronden zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzt. In den meisten Fällen wird dabei nur ein Teil der Oberfläche in Form einer ringförmigen Bahn, der sogenannten Brennbahn, im unmittelbar vom Elektronenstrahl beaufschlagten Bereich aus dem Röntgenstrahlen erzeugenden Material als vergleichsweise dünner Belag ausgeführt, während der Grundkörper der Drehanode aus anderen hochschmelzenden Materialien besteht.In medical diagnostics, rotating anodes are often used for X-ray tubes in the form of axially symmetrical blanks for the production of X-rays used. In most cases, only a part of the Surface in the form of an annular path, the so-called focal path, in area directly affected by the electron beam from the X-ray generating material as a comparatively thin coating executed while the main body of the rotating anode made of others high-melting materials.
Für das Einsatzverhalten des Brennbahnbelages im Röhrenbetrieb sind seine spezifischen Werkstoffeigenschaften wie Gefüge, Wärmeleitung, Wärmedehnung, mechanische Eigenschaften sowie die Dichte des Belages maßgebend. Da eine verbleibende Restporosität die Wärmeleitung, die Ermüdungsrißfestigkeit sowie das Ausgasverhalten in der Röntgenröhre nachteilig beeinflußt, sind möglichst hohe Dichtewerte für den Brennbahnbelag anzustreben. Eine verminderte Ermüdungsrißfestigkeit äußert sich vor allem in einer mit Dauer des Einsatzes stärker zunehmenden Aufrauhung der Brennbahn und einer damit verbundenen verminderten Röntgendosisausbeute.His are responsible for the behavior of the burning track covering in tube operation specific material properties such as structure, heat conduction, Thermal expansion, mechanical properties and the density of the covering authoritative. Because there is residual porosity the heat conduction Fatigue crack resistance and the outgassing behavior in the X-ray tube Adversely affected are the highest possible density values for the focal track covering to strive for. A reduced fatigue crack resistance manifests itself primarily in a roughening of the Focal path and an associated reduced x-ray dose yield.
Der Brennbahnbelag wird bis heute überwiegend mittels pulvermetallurgischer Verfahren durch Pressen, Sintern und Schmieden hergestellt. Bei metallischen Werkstoffen für den Grundkörper wird er vorzugsweise in einem Arbeitsgang mit dem Grundkörper durch Schichtung der Pulvergemische hergestellt, womit Dichtewerte von 96 % bis 98 % der theoretischen Dichte als Standard erreicht werden. Ein derartiges Herstellungsverfahren für den Brennbahnbelag ist kostengünstig, führt jedoch zu Eigenschaften, die insbesondere hinsichtlich seines Ermüdungsrißverhaltens noch nicht optimal sind.To date, the focal track covering is mainly made using powder metallurgy Process made by pressing, sintering and forging. With metallic He is preferably materials for the base body in one operation produced with the base body by layering the powder mixtures, with which Density values from 96% to 98% of theoretical density achieved as standard will. Such a manufacturing process for the focal track covering is inexpensive, but leads to properties, particularly with regard to his fatigue crack behavior are not yet optimal.
Insbesondere dort, wo Graphit als Material für den Grundkörper eingesetzt wird und die Verbindung des Grundkörpers mit einem unabhängig pulvermetallurgisch hergestellten Brennbahnbelag schwierig ist, wird der Brennbahnbelag auch durch Abscheidung mittels bekannter Beschichtungsverfahren vorzugsweise durch chemische Dampfabscheidung bzw. auch durch physikalische Dampfabscheidung aufgebracht. Mit diesen Verfahren werden zwar Dichten von nahezu 100 % der theoretischen Dichte für den Brennbahnbelag erreicht, aufgrund der wesentlich höheren Herstellungskosten sind diese Herstellungsverfahren im wesentlichen jedoch auf die Herstellung von Drehanoden mit Graphitkörper beschränkt geblieben und konnten das pulvermetallurgische Herstellungsverfahren des Brennbahnbelages nicht ablösen.Especially where graphite is used as the material for the base body and the connection of the main body with one independently is produced by powder metallurgy focal track covering is difficult Brennbahnbelag also by deposition using known Coating process preferably by chemical vapor deposition or also applied by physical vapor deposition. With these Although processes are based on densities of almost 100% of the theoretical density reached the focal track surface due to the much higher However, these manufacturing methods are essentially production costs remained limited to the production of rotating anodes with graphite body and were able to use the powder metallurgical manufacturing process of Do not remove the focal track covering.
Als etwas kostengünstigeres Beschichtungsverfahren mit einer Reihe von prozeßtechnischen Vorteilen zeichnet sich das konventionelle Plasmaspritzen aus. Das gilt insbesondere wenn das Verfahren unter kontrollierter Atmosphäre, d.h. unter Unterdruck oder unter Schutzgasatmosphäre zur Anwendung kommt. Beim konventionellen Plasmaspritzen wird das Material für den Brennbahnbelag als Pulver in einen durch eine DC-Bogenentladung erzeugten Plasmastrahl radial eingebracht, im Plasmastrahl erschmolzen und die erschmolzenen Tröpfchen auf dem Grundkörper abgeschieden. Hohe Auftragsleistung pro Zeiteinheit, über einen weiten Bereich einstellbare Beschichtungstemperatur, sowie die Vermeidung problematisch zu entsorgender chemischer Verbindungen sind beispielsweise wichtige Vorteile dieses Verfahrens. Beim konventionellen Plasmaspritzverfahren konnten jedoch trotz intensiver weltweiter Entwicklungsanstrengungen in den letzten Jahren nur Brennbahnbeläge mit einer maximalen Dichte von 93 % der theoretischen Dichte erzielt werden, was zu unbefriedigenden Ergebnissen hinsichtlich des Ermüdungsriß- und Ausgasverhaltens beim Einsatz derartig beschichteter Drehanoden geführt hat. Die bekannten thermischen Nachbehandlungsverfahren, durch die theoretisch noch eine Erhöhung der Dichte erreicht werden kann, sind in der Praxis nur begrenzt wirksam oder auch aufgrund der Auswirkungen auf das Material des Grundkörpers bzw. auf das Verbundverhalten nur beschränkt anwendbar. Das gilt insbesondere bei Verwendung von Graphit als Material für den Grundkörper, so daß es unter diesen eingeschränkten Bedingungen wiederum zu keiner ausreichenden Nachverdichtung und vollständigen Entgasung des Brennbahnbelages kommt. Aufgrund dieser Nachteile sind Drehanoden, bei denen der Brennbahnbelag mit Plasmaspritzen aufgebracht wurde, bisher nicht in größerem Umfang zum Einsatz gekommen.As a somewhat cheaper coating process with a number of The advantages of process technology are conventional plasma spraying out. This is especially true if the process is carried out in a controlled atmosphere, i.e. is used under negative pressure or in a protective gas atmosphere. With conventional plasma spraying, the material for the Burning track coating as a powder in a DC arc discharge Plasma jet introduced radially, melted in the plasma jet and the melted droplets deposited on the base body. Height Order performance per unit of time, adjustable over a wide range Coating temperature, as well as avoiding problematic Disposing chemical compounds are important advantages, for example this procedure. With the conventional plasma spraying process however, despite intensive global development efforts in recent years Years only focal track coverings with a maximum density of 93% of the theoretical density can be achieved, leading to unsatisfactory results with regard to the fatigue crack and outgassing behavior when used in this way coated rotating anode. The well-known thermal Aftertreatment process, which theoretically increases the In practice, density can only be achieved to a limited extent or also due to the effects on the material of the base body or on the Compound behavior can only be used to a limited extent. This applies particularly to Use of graphite as the material for the base body so that it is under these restricted conditions are not sufficient Post-compression and complete degassing of the burning track surface comes. Because of these disadvantages are rotating anodes, in which the focal track coating has been applied with plasma spraying, so far not to a large extent Commitment came.
In den letzten Jahren wurde eine neue Variante des Plasmaspritzens, das
sogenannte Induktive Vakuum-Plasmaspritzen entwickelt. Der Unterschied
dieses speziellen Plasmaspritzverfahrens zum konventionellen
Plasmaspritzverfahren liegt darin, daß das Plasma durch induktive Aufheizung
erzeugt wird, wodurch das Spritzpulver auf einfache Weise bereits vor der
Ausbildung des Plasmastrahles axial eingebracht werden kann. Dadurch und
durch die infolge der induktiven Aufheizung geringere
Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas verweilen die Pulverpartikel
wesentlich länger im Plasmastrahl. Dadurch verbessert sich die
Energieübertragung vom Plasma auf die einzelnen Teilchen des Spritzpulvers,
so daß auch größere Pulverteilchen vollständig über ihre Schmelztemperatur
erhitzt werden und als voll erschmolzene Tröpfchen abgeschieden werden
können. Damit ist das Induktive Vakuum-Plasmaspritzverfahren im Vergleich
zum konventionellen Plasmaspritzverfahren für die Verwendung
kostengünstigerer Spritzpulver mit einer breiteren Partikelgrößenverteilung
geeignet.
Eine Anwendung des Induktiven Plasmaspritzens für die Herstellung von
Röntgenstrahlung emittierenden Belägen bei Anoden für Röntgenröhren ist
bisher aufgrund der Erfahrungen vom konventionellen Plasmaspritzen
hinsichtlich der unbefriedigenden Ergebnisse des Ermüdungsverhaltens nicht
erfolgt.In recent years, a new variant of plasma spraying, the so-called inductive vacuum plasma spraying, has been developed. The difference between this special plasma spraying process and the conventional plasma spraying process is that the plasma is generated by inductive heating, which means that the spray powder can be introduced axially in a simple manner even before the plasma jet is formed. As a result and due to the lower expansion speed of the plasma as a result of inductive heating, the powder particles remain in the plasma jet for considerably longer. This improves the energy transfer from the plasma to the individual particles of the wettable powder, so that even larger powder particles are completely heated above their melting temperature and can be separated as fully melted droplets. This makes the inductive vacuum plasma spraying process, in comparison to the conventional plasma spraying process, suitable for the use of cheaper spray powder with a wider particle size distribution.
An application of inductive plasma spraying for the production of X-ray-emitting coatings for anodes for X-ray tubes has so far not occurred due to the experience of conventional plasma spraying with regard to the unsatisfactory results of the fatigue behavior.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von
Anoden für Röntgenröhren zu schaffen, durch das die kostengünstige
Herstellung des Röntgenstrahlung emittierenden Belages ermöglicht wird,
wobei der Belag hinsichtlich seines Einsatzverhaltens, insbesondere seiner
Ermüdungsrißfestigkeit, dem bis heute üblichen Standard zumindest voll
entspricht oder diesen sogar übertrifft.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Röntgenstrahlung
emittierende Belag durch Induktives Plasmaspritzen aufgebracht wird.The object of the invention is therefore to provide a method for producing anodes for X-ray tubes, by means of which the cost-effective production of the X-ray-emitting coating is made possible, the coating with regard to its usage behavior, in particular its fatigue crack resistance, at least fully corresponds to the standard which is still common today or even exceeds it.
According to the invention this is achieved in that the X-ray emitting coating is applied by inductive plasma spraying.
Derartig hergestellte Beläge zeigen im Einsatz eine Ermüdungsrißfestigkeit und damit ein Aufrauhungsverhalten, das jenes von Belägen, die mit konventionellen Plasmaspritzverfahren hergestellt wurden und sogar jenes von pulvermetallurgisch hergestellten Belägen deutlich übertrifft. Dieses Ergebnis ist für den Fachmann in diesem Ausmaß völlig überraschend, vor allem weil die Dichtewerte der erfindungsgemäß hergestellten Beläge bestenfalls an die Dichtewerte pulvermetallurgisch hergestellter Beläge heranreichen, in der Regel jedoch sogar darunter liegen. Die Ursachen für diese unerwartete Verbesserung der Ermüdungsrißfestigkeit sind auch aus der Fülle der werkstoffkundlichen Befunde an erfindungsgemäß hergestellten Drehanoden in verschiedenen Zuständen (unmittelbar nach der Beschichtung, nach Wärmebehandlungen, nach Röhrentests) nicht eindeutig erklärbar. Eine mögliche Erklärung könnte dahingehen, daß beim induktiven Vakuumplasmaspritzen, insbesondere unter Anwendung der Verfahrensparameter, die für die Abscheidung der für den Brennbahnbelag geeigneten hochschmelzenden Metalle notwendig sind, spezielle kristalline Gefüge erzielt werden, die sich deutlich von den lamellenartigen Erstarrungsgefügen unterscheiden, die üblicherweise mit konventionellen Plasmaspritzverfahren, insbesondere mit dem intensiv untersuchten Vakuumplasmaspritzverfahren erzielt werden. Coverings produced in this way show a fatigue crack resistance and with it a roughening behavior, that of rubbers that with conventional plasma spraying processes have been produced and even that of coatings produced by powder metallurgy significantly exceeded. This result is completely surprising for the expert to this extent, especially because the Density values of the coverings produced according to the invention at best to the Reach the density values of powder metallurgically produced coverings in the Usually, however, are even lower. The causes of this unexpected Fatigue crack resistance are also enhanced from the plethora of material science findings on rotary anodes produced according to the invention in different states (immediately after coating, after Heat treatments, after tube tests) cannot be clearly explained. A possible explanation could be that the inductive Vacuum plasma spraying, especially using the Process parameters for the deposition of for the focal track covering suitable refractory metals are necessary, special crystalline Structures can be achieved that differ significantly from the lamellar Differentiate solidification structures, usually with conventional ones Plasma spraying process, especially with the intensively examined Vacuum plasma spraying can be achieved.
Von Vorteil ist es, wenn der Röntgenstrahlung emittierende Belag durch mehrmaliges Überlagern einzelner Spritzschichten mit einer Gesamtdicke zwischen 0,4 mm und 0,7 mm aufgebracht wird. In der Regel wird hierzu ein 20 - 50 maliges Überlagern einzelner Lagen der Spritzschicht empfehlenswert sein.It is advantageous if the coating emitting X-rays passes through repeated overlaying of individual spray layers with a total thickness between 0.4 mm and 0.7 mm is applied. As a rule, this is a 20 - 50 overlaying of individual layers of the spray layer is recommended be.
Eine besonders günstige Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, wenn vor dem Aufbringen des Röntgenstrahlung emittierenden Belages im Bereich dieses Belages in den Grundkörper der Anode eine Ausnehmung von etwas mehr als der Tiefe der gewünschten Belagstärke eingearbeitet wird. Auf diese Weise kann die Oberfläche des Belages durch einfaches Überschleifen auf eine Ebene mit der angrenzenden Oberfläche des Anodengrundkörpers gebracht werden.A particularly favorable variant of the method according to the invention is reached when emitting X-rays before application Covering in the area of this covering in the base body of the anode Recess of a little more than the depth of the desired covering thickness is incorporated. In this way, the surface of the covering can simple smoothing to a level with the adjacent surface of the Anode body are brought.
Weiters ist es für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, wenn die Abscheidung unter einer induktiv eingekoppelten Leistung zwischen 50 kW und 100 kW und unter einer Förderrate des Spritzpulvers zwischen 10 g/min und 50 g/min erfolgt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich eine totale Durchschmelzung und ausreichende Überhitzung der Schmelztröpfchen.Furthermore, it is advantageous for the method according to the invention if the Separation under an inductively coupled power between 50 kW and 100 kW and under a delivery rate of the wettable powder between 10 g / min and 50 g / min takes place. Under these conditions there is a total Melting and sufficient overheating of the melt droplets.
Desweiteren hat sich eine im Vergleich zu üblicherweise für das konventionelle Plasmaspritzen geltenden Parametern vergleichsweise niedrige Relativgeschwindigkeit, mit der der Plasmastrahl die zu beschichtende Oberfläche überstreicht, als vorteilhaft erwiesen. Diese wird vorteilhaft so gewählt, daß sich im Bereich des Auftreffpunktes der Kernzone des Plasmas maximale Temperaturen von 1.400°C bis 2.400°C einstellen. Der zu beschichtende Grundkörper selbst wird hierfür vorteilhafterweise auf eine Vortemperatur von 1.000°C bis 1.500°C erwärmt.Furthermore, one has compared to usually for the conventional Plasma spraying parameters are comparatively low Relative speed at which the plasma jet is to be coated Surface covered, proven to be advantageous. This will be beneficial chosen that in the area of the point of impact of the core zone of the plasma Set maximum temperatures from 1,400 ° C to 2,400 ° C. The too Coating base body itself is advantageously on a Pre-temperature heated from 1,000 ° C to 1,500 ° C.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Drehanoden wird der Plasmastrahl und der Grundkörper der Drehanode derart gegeneinander bewegt, daß der zentrale Auftreffpunkt des Plasmapartikelstromes auf der Anodenoberfläche und die zur Drehanodenachse konzentrische Zentrumslinie des aktiven Brennbahnbereiches zumindest näherungsweise zusammenfallen, wobei der Partikelstrom des Plasmastrahles so eingestellt wird, daß der innerhalb des aktiven Brennbahnbereiches auftreffende Partikelstrom des Plasmastrahles nur jenen Bereich umfaßt, der innerhalb der Halbwertsbreite der gaußförmigen Partikelverteilung des erzeugten vollständigen Plasmastrahles liegt. Dadurch wird erreicht, daß der für den Schichtaufbau weniger günstige Randbereich des Plasmastrahles weitestgehend auf Bereiche der Anodenoberfläche verlagert wird, die außerhalb des aktiven Brennbahnbereiches liegen. Unter aktivem Brennbahnbereich ist der für die Röntgenstrahlungserzeugung unmittelbar vom Elektronenstrahl beaufschlagte Bereich zu verstehen.In a further advantageous variant of the method according to the invention the plasma jet and the base body are used to produce rotating anodes the rotating anode moves against each other in such a way that the central point of impact of the plasma particle stream on the anode surface and the Rotating anode axis concentric center line of the active Focal path area coincide at least approximately, the Particle flow of the plasma jet is set so that the within the particle stream of the plasma jet that only hits the active focal path region includes that area which is within the half-width of the Gaussian Particle distribution of the generated complete plasma jet lies. Thereby it is achieved that the edge region of the layer, which is less favorable for the layer construction Plasma rays largely shifted to areas of the anode surface that are outside the active focal path area. Under active The focal path area is that for the generation of X-rays directly from Understand the electron beam area.
Desweiteren kann es von Vorteil sein, wenn die Drehanode abschließend einer Glühbehandlung unterzogen wird. Zweck dieser Glühung ist sowohl eine weitere Verbesserung der Gefügeeigenschaften durch Diffusionsprozesse als auch ein Entgasen der Anode. Die Art der Glühbehandlung ist unter anderem abhängig vom Material, aus dem der Grundkörper der Drehanode gefertigt wurde. Bei einem Grundkörper aus hochschmelzendem Metall wird die Glühbehandlung bei Temperaturen zwischen 1.200°C und 1.600°C während 1 bis 20 Stunden erfolgen, während sie bei Drehanoden, bei denen Graphit für den Grundkörper verwendet wurde, in der Regel bei Temperaturen bis zu 1.300°C während bis zu etwa 10 Stunden durchgeführt wird. Im Falle eines Graphitgrundkörpers wird die dabei mögliche Bildung von nachteiligen Karbiden im Grenzbereich durch bekannte Difussionssperrschichten, z.B. Rhenium, vorteilhaft verzögert.Furthermore, it can be advantageous if the rotating anode is finally one Is subjected to annealing treatment. The purpose of this annealing is both one further improvement of the structural properties through diffusion processes as also degassing the anode. The type of annealing treatment is among others depending on the material from which the base body of the rotating anode is made has been. In the case of a base body made of high-melting metal, the Annealing treatment at temperatures between 1,200 ° C and 1,600 ° C during 1 to 20 hours while rotating anodes where graphite is used for the body was used, usually at temperatures up to 1,300 ° C is carried out for up to about 10 hours. in case of an Graphite base body is the possible formation of disadvantageous carbides in the border area by known diffusion barrier layers, e.g. Rhenium, advantageously delayed.
Auf besonders vorteilhafte Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden, wenn der Grundkörper der Anode aus Graphit, Molybdän oder einer Molybdänlegierung und der Röntgenstrahlung emittierende Belag aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung besteht.The method according to the invention can be used in a particularly advantageous manner be applied when the base body of the anode is made of graphite, molybdenum or a molybdenum alloy and the X-ray emitting coating consists of a tungsten-rhenium alloy.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Herstellungsbeispielen sowie anhand von Figuren näher erläutert. The method according to the invention is described below with reference to Manufacturing examples and explained in more detail with reference to figures.
Es zeigen:
Figur 1- die Prinzipskizze einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 6
- Figur 2
- die graphische Darstellung der Mittelwerte der Brennbahnaufrauhung Ra von erfindungsgemäß und pulvermetallurgisch hergestellten Brennbahnbelägen von Drehanoden
- Figur 3
- die Schliffaufnahme der Brennbahn einer erfindungsgemäß hergestellten Drehanode im Schnitt in 200-facher Vergrößerung
- Figur 4
- die Schliffaufnahme der Brennbahn einer Drehanode mit pulvermetallurgisch hergestellten Brennbahnbelägen im Schnitt in 200-facher Vergrößerung
- Figur 5
- die Schliffaufnahme der Brennbahn einer Drehanode, die durch konventionelles Plasmaspritzen hergestellt wurde, im Schnitt in 200-facher Vergrößerung
- Figure 1
- the schematic diagram of a variant of the method according to the invention according to claims 3 and 6
- Figure 2
- the graphical representation of the mean values of the roughening of the firing track Ra of firing track coverings of rotating anodes produced according to the invention and powder metallurgy
- Figure 3
- the polished section of the focal path of a rotating anode produced according to the invention on average in 200 times magnification
- Figure 4
- the grinding of the focal path of a rotating anode with powder-metallurgically produced focal path coverings on average in 200 times magnification
- Figure 5
- the cut of the focal path of a rotating anode, which was produced by conventional plasma spraying, on average in 200 times magnification
Scheibenförmige Grundkörper für Drehanoden aus TZM, einer Molybdän-Legierung
mit 0,5 % Titan, 0,08 % Zirkon, bis zu 0,04 % Kohlenstoff, Rest
Molybdän, mit einem Durchmesser von 120 mm und einem
kegelstumpfförmigen Außenbereich mit 20° Offnungswinkel wurden auf einer
mit Rotationsantrieb versehenen Welle montiert und in eine Vakuumkammer
eingebaut. Die Beschichtung der einzelnen Grundkörper erfolgte mittels einer
induktiv beheizten Plasmakanone mit 50 mm Innendurchmesser und einer
Leistung von 65 kW mit Spritzpulver aus einer Wolframlegierung mit 5 %
Rheniumanteil in einer Pulverfraktion zwischen 15 und 63 µm. Das Spritzpulver
wurde mit einer Förderrate von 30 g/min axial mittels Ar-Trägergas eingebracht.
Vor Beginn der Pulverinjektion wurden die Grundkörper auf 1500°C erwärmt.
Die Rotationsgeschwindigkeit der Grundkörper betrug 10 U/min. Die
Plasmakanone wurde zur konzentrisch zur Drehanodenachse verlaufenden
Mittellinie des Brennbahnbelages seitlich bewegt, und zwar derart, daß die
Achse der Plasmakanone kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von
2 mm/sec diese Mittellinie abwechselnd auf beide Seiten jeweils bis auf
maximal 5 mm überschritten hat. In einem etwa 4 Minuten dauernden
Beschichtungsvorgang wurde auf diese Weise durch ca. 50 übereinander
abgeschiedene Einzelschichten jeweils ein Brennbahnbelag mit etwa 1 mm
Gesamtdicke und 25 mm Breite aufgetragen. Nach Beendigung des
Beschichtungsprozesses wurden die auf unter 100°C abgekühlten Drehanoden
aus der Vakuumkammer entnommen und anschließend der Brennbahnbelag
auf eine Stärke von 0,7 mm überschliffen. Abschließend wurden die derart
endbearbeiteten Drehanoden einer Hochvakuumglühung bei einer Temperatur
von 1600°C während 90 min unterzogen.
Für Vergleichszwecke wurden dieselben scheibenförmigen Grundkörper wie sie
für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wurden mit
einem 0,8 mm starken Brennbahnbelag aus einer Wolfram-5-Rheniumlegierung
auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt. Dazu wurde in einer Matrize eine
Schichtung der TZM-Pulvermischung für den Grundkörper einerseits und der
Wolfram-Rhenium-Legierung für den Brennbahnbelag andererseits hergestellt
und gepreßt, der Preßling gesintert und durch Schmieden und mechanische
Bearbeitung die endgültige Form hergestellt. Abschließend wurden die
Drehanoden derselben Hochvakuumglühung wie die erfindungsgemäß
hergestellten unterzogen.Disc-shaped base bodies for rotating anodes made of TZM, a molybdenum alloy with 0.5% titanium, 0.08% zirconium, up to 0.04% carbon, the rest molybdenum, with a diameter of 120 mm and a frustoconical outer area with a 20 ° opening angle mounted on a shaft with a rotary drive and installed in a vacuum chamber. The individual base bodies were coated by means of an inductively heated plasma cannon with an inner diameter of 50 mm and a power of 65 kW with spray powder made of a tungsten alloy with 5% rhenium in a powder fraction between 15 and 63 µm. The wettable powder was introduced axially at a rate of 30 g / min using Ar carrier gas. Before starting the powder injection, the base bodies were heated to 1500 ° C. The speed of rotation of the base body was 10 rpm. The plasma cannon was moved laterally to the center line of the focal track covering concentric to the rotating anode axis, in such a way that the axis of the plasma cannon continuously exceeded this center line alternately on both sides up to a maximum of 5 mm at a speed of 2 mm / sec. In a coating process lasting about 4 minutes, a focal track covering with a total thickness of about 1 mm and a width of 25 mm was applied in this way through approximately 50 individual layers deposited one above the other. After the coating process had ended, the rotating anodes, which had cooled to below 100 ° C., were removed from the vacuum chamber and then the focal track covering was ground to a thickness of 0.7 mm. Finally, the rotary anodes finished in this way were subjected to high vacuum annealing at a temperature of 1600 ° C. for 90 minutes.
For comparison purposes, the same disk-shaped base bodies as were used for the application of the method according to the invention were produced with a 0.8 mm thick focal track covering from a tungsten-5-rhenium alloy by powder metallurgy. For this purpose, a layer of the TZM powder mixture for the base body on the one hand and the tungsten-rhenium alloy for the focal track coating on the other hand was produced and pressed, the compact was sintered and the final shape was produced by forging and mechanical processing. Finally, the rotating anodes were subjected to the same high vacuum annealing as those produced according to the invention.
Mit Hilfe der Auftriebsmethode wurde die Dichte der Brennbahnbeläge bestimmt. Die erfindungsgemäß aufgebrachten Brennbahnbeläge wiesen eine Dichte von 97,2 % der theoretischen Dichte auf, während die pulvermetallurgisch hergestellten Brennbahnbeläge eine Dichte von 97,4 % der theoretischen Dichte aufwiesen. With the help of the buoyancy method, the density of the focal track coverings certainly. The focal track coverings applied according to the invention had a Density of 97.2% of the theoretical density, while the Powder metallurgy produced focal track coverings a density of 97.4% had theoretical density.
In einem weiteren Herstellungsbeispiel wurde in einen gleichartigen Drehanodengrundkörper wie nach dem Herstellungsbeispiel 1 im Bereich der Brennbahn eine ringförmige Nut von 0,8 mm Tiefe eingearbeitet. Danach wurde der Drehanodengrundkörper mit den im wesentlichen gleichartigen Beschichtungsbedingungen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Herstellungsbeispiel 1 beschichtet. Der einzige Unterschied dieser Beschichtungsvariante lag darin, daß die Plasmakanone bei der Beschichtung nicht seitlich bewegt sondern stationär festgelegt wurde, und zwar derart, daß die Achse -L- der Plasmakanone -3- mit der zur Drehanodenachse konzentrischen Zentrumslinie -4- des Brennbahnbelages -2- zusammenfiel und daß der Plasmastrahl und damit der Partikelstrom so eingestellt wurde, daß die Halbwertsbreite der Partikelverteilung -HW- mit der Breite des aktiven Bereiches -B- des Brennbahnbelages -2- übereinstimmte wie es in Figur 1 skizzenhaft dargestellt ist. Zur besseren Übersicht ist in Figur 1 die momentane örtliche Verteilung der Partikel im Bereich der Brennbahn nicht direkt am Drehanodengrundkörper -1- sondern darüber und nicht maßstabgerecht, sondern stark überhöht dargestellt. Nach der Aufbringung des Brennbahnbelages -2- wurde die Oberfläche der Drehanode bis auf ein Niveau -S- von 0,7 mm mechanisch abgetragen und damit die endgültige Dicke und saubere seitliche Abgrenzung des Brennbahnbelages zum Drehanodengrundkörper hergestellt. Die mit dieser Beschichtungsvariante hergestellte Drehanode wies gegenüber den nach dem Herstellungsbeispiel 1 erfindungsgemäß hergestellten Drehanoden eine etwas verbesserte Dichte von 97,8 % der theoretischen Dichte auf, was einer Absenkung der Restporosität um mehr als 20 % entspricht.In another manufacturing example, a similar Rotating anode base body as in production example 1 in the area of Burning path incorporated an annular groove of 0.8 mm depth. After that was the rotating anode body with the substantially similar Coating conditions according to the inventive method coated according to production example 1. The only difference is this Coating variant was that the plasma gun during the coating was not moved laterally, but was fixed in such a way that the axis -L- of the plasma cannon -3- with that of the rotating anode axis concentric center line -4- of the focal track covering -2- coincided and that the plasma jet and thus the particle flow was set so that the Half-width of the particle distribution -HW- with the width of the active Area -B- of the focal track covering -2- matched as in FIG. 1 is sketchy. For a better overview, the current one is in FIG local distribution of the particles in the area of the focal path is not directly on the Rotating anode body -1- but above and not to scale, but rather exaggerated. After the application of the Burning surface covering -2- was the surface of the rotating anode except for one Level -S- mechanically removed by 0.7 mm and thus the final thickness and clean lateral delimitation of the focal track covering for Rotary anode body manufactured. The one with this coating variant The manufactured anode showed that of the manufacturing example 1 Rotary anodes produced according to the invention have a somewhat improved density of 97.8% of theoretical density, resulting in a reduction in residual porosity by more than 20%.
Die erfindungsgemäß bzw. nach dem Stand der Technik nach
Herstellungsbeispiel 1 hergestellten Drehanoden wurden in einen Prüfstand für
Röntgendrehanoden eingebaut und unter üblichen Bedingungen mit den
folgenden Parametern zvklisch getestet:
Der Test wurde zu festgelegten Zeitpunkten stichprobenartig unterbrochen, um die bis dahin eingetretene Brennbahnaufrauhung als Maß für die Ermüdungsrißfestigkeit und die damit verbundene Verringerung der Röntgendosisausbeute zu bestimmen.The test was randomly interrupted at specified times the furrow roughening that had occurred up to that point as a measure of the Fatigue crack resistance and the associated reduction in X-ray dose yield to be determined.
Die jeweiligen Mittelwerte der Rauhtiefen Ra der an jeweils drei Drehanoden pro Variante ermittelten Daten sind in Figur 2 dargestellt.The respective mean values of the roughness depths Ra of three rotating anodes each Data determined for each variant are shown in FIG. 2.
Der wesentlich günstigere Verlauf der Aufrauhung -B- im Falle der erfindungsgemäß hergestellten Drehanoden ist klar erkennbar. Nach 100 Stunden Testdauer war die mittlere Rauhtiefe Ra, in Umfangsrichtung gemessen, um 24 % niedriger als der entsprechende Vergleichswert der Aufrauhung -A- der pulvermetallurgisch hergestellten Vergleichsdrehanoden. In einer anderen Betrachtungsweise wird die Aufrauhung der erfindungsgemäßen Drehanode, wie sie bei Testende nach 100 Stunden vorgelegen hat, bei den Vergleichsanoden im Schnitt bereits nach ca. 20 Stunden Testdauer erreicht. Nach Abschluß des Vergleichstests wurde von einer erfindungsgemäß beschichteten Drehanode und von einer pulvermetallurgisch hergestellten Drehanode jeweils ein Schliff hergestellt. Eine Aufnahme dieser Schliffe in 200-facher Vergrößerung ist in den Figuren 3 und 4 zu sehen.The much more favorable course of roughening -B- in the case of Rotary anodes produced according to the invention are clearly recognizable. After The average roughness depth Ra in the circumferential direction was 100 hours of test duration measured by 24% lower than the corresponding comparison value of the Roughening -A- of the comparative rotating anodes produced by powder metallurgy. In Another consideration is the roughening of the invention Rotating anode, as it was at the end of the test after 100 hours, in the Comparative anodes reached on average after about 20 hours of testing. After completion of the comparative test, one according to the invention coated rotating anode and from a powder metallurgy Rotating anode each made a cut. An inclusion of these cuts in 200x magnification can be seen in FIGS. 3 and 4.
Das Gefüge der induktiv plasmagespritzen Brennbahn nach Figur 3 zeigt eine grundsätzlich andere Morphologie als jene der pulvermetallurgisch hergestellten Brennbahn nach Figur 4. Die beim induktiven Plasmaspritzen auftreffenden Schmelztröpfchen kristallisieren bei ihrer Erstarrung transkristallin aus, das heißt sie dienen ihrerseits wieder als Kristallisationsfläche für die nachfolgenden auftreffenden Schmelztröpfchen. Dadurch wird die einmal vorliegende Wachstumsrichtung der Schicht zumindest über viele Schmelztröpfchen hinweg weitgehend beibehalten und es bilden sich nicht die üblicherweise beim konventionellen Plasmaspritzen beobachteten lamellaren Gefügestrukturen mit schlecht gebundenen Korngrenzen aus wie sie in Figur 5 deutlich am Beispiel eines durch konventionelles Plasmaspritzen hergestellten Brennbahnbelages einer Drehanode zu erkennen sind. Beim induktiven Plasmaspritzen sind die ursprünglichen Grenzen zwischen aufeinanderfolgend erstarrten Tröpfchen nur mehr ansatzweise durch intrakristalline Säume von Mikroporen nachzuweisen, die jedoch vom darüber hinaus transkristallin weiterkristallisierenden Korn umschlossen werden. In Summe resultiert daraus das in Figur 3 dargestellte dichte, überwiegend säulige Gefüge. Die in Wachstumsrichtung verlaufenden Korngrenzen zwischen diesen säuligen Kristalliten sind gut ausgebildet und frei von Ansammlungen von Mikroporen. Im Gegensatz dazu liegen die Körner im pulvermetallurgischen Gefüge nach Figur 4 weitgehend isotrop vor. Die Restporosität tritt hier in Form gröberer Poren deutlich in Erscheinung. Die Ermüdung des Brennbahnbelages bei der erfindungsgemäß hergestellten Drehanode tritt in Form von im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Mikrorissen in Erscheinung, die sich jedoch im Hinblick auf die Aufrauhung der Oberfläche weniger schädlich auswirken als jene Risse bei der pulvermetallurgisch hergestellten Drehanode. Die stärkere Aufrauhung sowie die Destabilisierung des Oberflächengefüges bei der pulvermetallurgisch hergestellten Drehanode durch Versagen der Korngrenzen ist in Figur 4 deutlich erkennbar.The structure of the induction plasma-sprayed combustion path according to FIG. 3 shows one fundamentally different morphology than that of powder metallurgy produced focal path according to Figure 4. The inductive plasma spraying striking enamel droplets crystallize transcrystalline as they solidify from, which in turn serve as a crystallization surface for the subsequent melting droplets. This will do it once present growth direction of the layer at least over many Maintain melt droplets largely and they do not form lamellar usually observed in conventional plasma spraying Structural structures with poorly bound grain boundaries as shown in FIG. 5 clearly using the example of one produced by conventional plasma spraying Focal path coating of a rotating anode can be seen. With inductive Plasma spraying is the original line between successive Frozen droplets only partially through intra-crystalline hems of To detect micropores, which, however, are also transcrystalline continue to be crystallized grain. In total this results the dense, predominantly columnar structure shown in Figure 3. In the Grain boundaries between these columnar growth direction Crystallites are well formed and free of micropores. In contrast, the grains lie in the powder metallurgical structure Figure 4 largely isotropic. The residual porosity occurs here in the form of coarser Pores appear clearly. Fatigue of the focal track covering at Rotary anode produced according to the invention occurs in the form of essentially microcracks running perpendicular to the surface appear however less harmful in terms of roughening the surface impact as those cracks in the powder metallurgically manufactured rotating anode. The greater roughening and the destabilization of the surface structure in the case of the powder anode made rotating anode by failure of the Grain boundaries can be clearly seen in FIG. 4.
Die Herstellungsbeispiele beschreiben besonders vorteilhafte Varianten eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens, die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf diese beschränkt. So ist es beispielsweise ebenso denkbar, den Brennbahnbelag nicht durch mehrere übereinandergelegte Spritzschichten, sondern in einer einzigen Lage aufzutragen.The manufacturing examples describe particularly advantageous variants of a Manufacturing method according to the invention, but the invention is in no way on this limited. For example, it is also conceivable that Focal track covering not through several superimposed spray layers, but to apply in a single layer.
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet,
daß der Röntgenstrahlung emittierende Belag durch induktives Plasmaspritzen aufgebracht wird.Method for producing an anode for X-ray tubes, consisting of a base body and a coating that emits X-radiation different from it,
characterized by
that the X-ray emitting coating is applied by inductive plasma spraying.
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