JP3431652B2 - ろう付けしたx線管陽極 - Google Patents
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Description
体(アセンブリ)の接合に係り、特に、ろう付け材料と
してバナジウム、チタンまたはそれらの合金を用い、特
定の加熱工程と冷却工程を使用してグラファイトディス
クを金属層部分に接合する技術に係る。
ターゲットを製造する際、そのターゲットはX線管内の
より厳しい環境に耐える必要があるばかりでなく、18
00℃までの温度での真空焼成といったようなより厳し
い製造工程にも耐えることができなければならない。こ
のために、次のような利点を有する改良されたろう付け
が必要である。 1.ろう付けの融解温度が充分に低くて、約2000℃
でその強度を大きく損なう可能性のあるTZM合金の性
質に悪い影響を与えないこと。 2.ろう付け後充分に高い再融解温度をもっていて、1
800℃での真空焼成のような付加的な製造工程の間接
合を保つこと。 3.接合が強固で、1500℃までで長時間というX線
管の通常の動作の間熱上昇によって劣化しないこと。
ターを満足するためには固有の性質をいくつか備えてい
なければならない。まず第一に、TZMターゲット層と
共晶反応や包晶反応をしないことである。ろう付け金属
は最終的に、TZM合金中のモリブデンと単純な二元カ
ップルのみを形成する。これにより、ろう付け内にモリ
ブデンが拡散してろう付けの再融解温度が上昇し、また
脆性の金属間層が形成される可能性が除かれる。またこ
のろう付け金属は、グラファイトディスクとの間に安定
な炭化物を形成するか、または一連の炭化物を形成して
接合部の炭素含量に段階的な変化を生じさせる。異なる
材料を接合する際の原則は、接合が生起するには2種の
材料間で元素の混合がいくらか起こらなければならない
ということである。また、この接合が有意義な強度をも
つためには、混合の段階的な変化が、2種の材料が同じ
分互いに拡散する二元拡散カップルの場合と近似してい
るべきである。
デンとの間に簡単な同形組織を形成し、またいずれもグ
ラファイトとの間で熱力学的に安定な炭化物を形成する
ことが判明している。バナジウムとチタンはいずれもグ
ラファイトとの間で共晶反応によって炭化物を形成す
る。これはろう付けプロセスに対して有利であると共に
障害にもなる。まず、炭素がろう付け接合部中に拡散
し、境界面によりゆるやかな炭素の勾配を生じるという
点では有利である。一方、V,Ti‐C共晶反応温度は
これらの金属の融解温度より低いという点では不利であ
る。ろう付け金属中の炭素の合金化の程度を制限するに
は、共晶温度を通り越してろう付け金属の融解温度まで
できるだけ急速に加熱する必要がある。こうすると、ろ
う付け金属が融解してTZM合金と混合できると同時に
グラファイトとろう付け金属との間での共晶反応とその
後の合金化が制限される。得られるろう付け接合部の状
態を図1A〜Cに概略的に示す。図で、左の破線はろう
付け境界面における炭素(グラファイトに由来する)の
濃度を表わし、右の破線はろう付け境界面におけるモリ
ブデン(TZMに由来する)の濃度を表わす。
等しく混合したろう付け接合部を示している。この場合
ろう付け金属は結合剤として機能するだけでなく、2種
の材料を隔離する障壁としても働く。このタイプの接合
の融解温度はろう付け金属の融解温度より少しだけ高い
であろう。図1Bは、炭素が広範囲に混合しているがモ
リブデンとの混合は制限されているろう付け接合部を示
している。この接合の融解温度は、炭素との共晶の融解
温度より高いがろう付け金属の融解温度より低いであろ
う。図1Cは本発明によるろう付け接合部を示してい
る。図から分かるように、炭素とろう付け金属との間で
いくらかの混合があるが、モリブデンとろう付け金属と
の混合は広範囲に起こっている。この特定のタイプの材
料混合によると、改良されたろう付け接合に対してすで
に述べた目的のすべてを達成することができる。すなわ
ち、ろう付け温度はろう付け金属に対して2000℃よ
り低く、ろう付け接合部におけるモリブデンの合金化が
進んでいるために再融解温度は高くなり、しかも接合は
1800℃まで熱的に安定である。
う付け金属として白金を用いる技術が記載されている。
実験によって示されたところによると、このろう付け接
合は熱的に不安定であり、1500℃より高い温度では
接合強度が急速に落ちることがある。また、米国特許第
3,710,170号には、集合体を2200℃に加熱
することによってモリブデン‐炭素共晶を形成する他の
技術が記載されている。この温度ではTZM合金の物理
的強度が落ちてしまうであろう。また、Mo2C炭化物
は多くの亀裂を形成する傾向があり、この亀裂は熱流お
よび接合強度を損なうことがあることも分かっている。
英国特許第1,383,557号には、ジルコニウムま
たはチタンまたはそれらの合金からなるろう付け金属を
使用するプロセスが記載されている。この特許には、集
合体をターゲット金属基板‐ろう付け金属共晶温度より
少しだけ高いがろう付け金属の融解温度よりは低い温度
に加熱することが述べられている。チタンとモリブデン
(またはタングステンまたはタンタルまたはレニウム)
との間では共晶反応が起こらないことが確かめられてい
る。したがって、チタンを使用し、集合体をチタンの融
解温度より低い温度に加熱することは、この接合がチタ
ンと炭素との間の共晶反応によって形成されたことを意
味している。その再融解温度は約1650℃であり、目
的とした1800℃よりずっと低い。ジルコニウムにつ
いては、ターゲット層、特にモリブデンと共晶反応を起
こす。この共晶反応温度は約1575℃である。この場
合も、目的とした1800℃という再融解温度よりずっ
と低い。また、ターゲット層‐ろう付け接合境界部で脆
性の金属間層が形成され、これもまた接合強度を落と
す。
した結合部が改良された接合強度をもっており、しかも
選択された温度特性を有する改良された複合X線ターゲ
ットを提供することである。本発明のもうひとつ別の目
的は、ろう付け材料としてバナジウムまたはチタンを使
用して特定の加熱および冷却工程を用いて複合X線管タ
ーゲットをろう付けするための改良された方法を提供す
ることである。
ならびに利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説
明を読めばすぐに明らかになるであろう。
金属ターゲット層とグラファイトディスクとを接合して
複合回転式X線管ターゲットを得るための方法が提供さ
れる。金属ターゲット層とグラファイトディスクとの間
にバナジウム、チタンまたはこれらの合金の層を設けて
集合体とする。この集合体を、炭素‐ろう付け金属の共
晶温度とろう付け金属の融解温度によって定義される温
度範囲を通り越して急速に加熱する。集合体をバナジウ
ム、チタンまたはこれらの合金の融解温度より50〜1
00℃高い範囲の高温に加熱し続ける。ろう付け金属が
完全に融解し、モリブデンとの混合が生起するまでこの
温度を維持する。その後、加熱した集合体を前記温度範
囲を通り越して急速に冷却する。
ウムまたはチタンはシートの形態であり、このシートの
厚みは約9〜12ミルである。高温は約3〜5分間に渡
って保つ。集合体を急速に加熱するには約20℃/分の
速度で行ない、集合体を急速に冷却するには約50℃/
分の速度で行なう。以上の方法によって、高い再融解温
度と接合強度をもつ改良された複合X線管ターゲットが
製造される。
す。しかし、本発明の真の思想と範囲から逸脱すること
なく、これらの具体例にさまざまな他の修正や置換を行
なうことができる。
って回転する陽極X線管として使用するターゲットすな
わち陽極集合体10が示されている。この集合体10は
金属ディスク部分11をもっており、この部分にはその
前面に、通常通り陰極からの電子に衝撃されるとX線を
発生する焦点トラクト12が設けられている。このディ
スク11は、モリブデンやモリブデン合金(たとえばT
ZMなど)のような適切な耐火金属で構成されている。
その上に配置された通常の焦点トラック12はタングス
テンやタングステン/レニウム合金材料から構成されて
いる。ディスク11は通常の方法(たとえばろう付け、
拡散接合または機械的アタッチメント)でステム13に
取り付けられている。
トディスク部分14が取り付けられている。これは、以
下に述べるようにしてチタンろう付け(16で示す)に
よって取り付けられている。グラファイトディスク14
の主たる目的は、焦点トラック12から金属ディスク1
1を通って伝えられる熱に対するヒートシンクである。
ターゲット集合体の質量を大きく増大させることなくヒ
ートシンク機能をもたせることができればベストであ
る。
セスを図3の流れ図で説明する。グラファイト部分と金
属部分との間にチタンシートを入れる前のステップは標
準のものである。図に示してあるように、TZMターゲ
ット層11とグラファイトディスク14との間にチタン
のシートを配置する。このシートの厚みは約9ミルであ
る。
に引いた真空チャンバ炉内に入れる。集合体を1550
℃に加熱して30分間保つ。これは約20℃/分の速度
で臨界温度領域を通り越して急速に加熱する。臨界温度
領域とは炭素‐ろう付け金属の共晶温度とろう付け金属
の融解温度との間の温度ゾーンである。集合体の加熱は
1750℃になるまで続ける。この温度はろう付け金属
の融解温度より約75℃高い。この温度を約5分間保
つ。その後集合体を約50℃/分の速度で臨界炭素共晶
温度‐ろう付け金属融解温度領域を通り越して急速に冷
却する。
した。集合体はすでに示した炉条件を用いて製造した。
この試験ではろう付けしたターゲットの不連続点を超音
波で走査したところ、見つからなかった。このターゲッ
トを荒く機械加工して最終寸法にした後、真空炉中で一
連の温度に加熱し、均熱化した。各熱試験の後ろう付け
部を超音波で走査した。結果は以下の表に示す。表に
は、白金ろう付けとジルコニウムろう付けの結果も示
す。 C走査結果 熱サイクル Tiろう付け Ptろう付け Zrろう付け 1350℃/10時間 剥脱なし 25%剥脱 剥脱なし 1400℃/10時間 剥脱なし 100%剥脱 剥脱なし 1450℃/10時間 剥脱なし − 剥脱なし 1500℃/10時間 剥脱なし − 剥脱なし 1600℃/10時間 剥脱なし − 100%剥脱 1800℃/1時間 剥脱なし − − 1800℃で焼成した後、チタンでろう付けしたターゲ
ットをグローバルストレス試験(Global Stress Test)に
かけた。ターゲットは破壊するまでに10,000ポン
ドの負荷にもちこたえた。破断面はグラファイトを通り
抜けてろう付け部の約1/10インチ上に達していた。
この強度は、白金でろう付けして機械加工したターゲッ
トの強度に匹敵する。
説明して来たが、上記教示に鑑みて他の修正や変形が当
業者には明らかであろう。たとえば、炉内で1750℃
の加熱に対して温度保持は5分間と述べたが、これは3
分から5分まで変えることができる。また、保持温度は
50〜100℃高い範囲とすることができる。さらに、
加熱速度と冷却速度はそれぞれ正確に20℃/分および
50℃/分とする必要はなく、加熱速度は20〜30℃
/分で、また冷却速度は50〜70℃/分で変えること
ができる。バナジウムとチタンは本発明の方法に使用す
るのに好ましい金属であるが、これらの金属の合金、た
とえばチタンと合金化したバナジウム、バナジウムと金
属化したチタン、ならびにコロンビウム、ハフニウム、
白金またはジルコニウムと合金化したバナジウムおよび
チタンといった合金も使用できる。したがって、本発明
は、特許請求の範囲内で、前記特定の具体例と異なるよ
うに実施してもよいものと理解されたい。
たいろいろな接合部のさまざまな組成を示す略図であ
る。
ットの断面図である。
ットを製造するプロセスを示す流れ図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 モリブデンを含む金属ターゲット層とグ
ラファイトディスクとを接合して複合回転式X線管ター
ゲットを得るための方法であって、 前記金属ターゲット層と前記グラファイトディスクとの
間にバナジウム、チタンまたはこれらの合金のろう付け
金属層を設けて集合体を形成し、 前記集合体を、炭素‐ろう付け金属共晶温度およびろう
付け金属の融解温度によって定義される温度範囲を通過
させて20〜30℃/分で急速に加熱し、 前記集合体を前記ろう付け金属の融解温度よりも50〜
100℃高い範囲の高温に加熱し続け、 前記ろう付け金属が完全に融解しモリブデンとの混合が
生起するまで前記高温を維持し、それから前記加熱した
集合体を前記温度範囲を通過させて急速に冷却すること
からなる方法。 - 【請求項2】 前記ろう付け金属の層がシートの形態で
ある、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記シートが約9〜12ミルの厚さであ
る、請求項1記載の方法。 - 【請求項4】 前記高温を約3〜5分間維持する、請求
項1記載の方法。 - 【請求項5】 前記金属ターゲット層と前記グラファイ
トディスクとの間にバナジウムの層を設ける、請求項1
記載の方法。 - 【請求項6】 前記金属ターゲット層と前記グラファイ
トディスクとの間にチタンの層を設ける、請求項1記載
の方法。 - 【請求項7】 前記金属ターゲット層と前記グラファイ
トディスクとの間にバナジウム合金またはチタン合金の
層を設ける、請求項1記載の方法。 - 【請求項8】 前記集合体の前記急速な加熱を約20℃
/分の速度で行なう、請求項1記載の方法。 - 【請求項9】 前記加熱集合体の前記急速な冷却を約5
0℃/分の速度で行なう、請求項1記載の方法。 - 【請求項10】 前記連続加熱の前記高温が前記ろう付
け金属の融解温度よりも75℃高い、請求項1記載の方
法。
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