Drehanode und Verfahren zu deren Herstellung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer

Drehanode mit einem keramischen Grundkörper auf der Basis von Siliziumcarbid sowie eine Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9. Röntgenröhren, wie sie beispielsweise in medizinischen Röntgengeräten Anwendung finden, umfassen eine Kathode, von der aus Elektronen auf eine rotierende Drehanode hin beschleunigt werden. Die Drehanode umfasst einen Grundkörper, der eine so genannte Brennbahn aus Wolfram oder einer Wolfram-Rhenium- Legierung trägt, welche die eigentliche Anode bildet. Werden Elektronen auf eine Brennbahn hinreichend beschleunigt und im Brennbahnmaterial abgebremst, so entsteht eine elektromagnetische Strahlung (Röntgenstrahlung) mit einer charakteristischen Wellenlänge.

Durch die Rotation der Drehanode soll dabei die thermische Belastung möglichst gering gehalten werden. Da gerade für die Röntgentomographie zunehmend höhere Strahlungsintensitäten erwünscht sind, soll dabei der Brennfleck der Elektronen auf der Brennbahn möglichst scharf fokussiert und klein sein, was wiederum zu hohen Leistungsdichten im Brennfleckbereich und damit zu einer besonders hohen Temperaturentwicklung führt. Um dies zu kompensieren sind wiederum besonders hohe Drehzahlen der Drehanode erwünscht.

Bekannte Drehanoden weisen einen Grundkörper aus einer Titan- Zirkon-Molybdän-Legierung auf, die eine relativ hohe Dichte bei relativ geringer Hochtemperaturfestigkeit aufweist. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften derartiger Grundkörper können bei gängigen Drehanoden lediglich Drehfreguenzen von 200 Hz bis 250 Hz realisiert werden. Geeignete Werkstoffe für die Herstellung von Grundkörpern für Drehanoden, die eine verbesserte Hochtemperaturfestigkeit besitzen und daher für höhere Drehfreguenzen geeignet sind, sind Keramiken auf der Grundlage von Siliziumcarbid, insbe- sondere bei Zusatz von hochtemperaturfesten Diboriden.

Bei diesen Materialien hat es sich jedoch bislang als problematisch erwiesen, die Wolframbrennbahn der Drehanode zuverlässig mit dem Grundkörper zu fügen.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die zuverlässige Applikation von Wolframbrennbahnen auf Drehanoden mit keramischen Grundkörpern auf SiC-Basis er- möglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Drehanode nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9 bereitzustellen, die einen besonders guten Halt der Wolframbrennbahn am keramischen Grundkörper besitzt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Drehanode mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.

Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen einer Drehanode für eine Röntgenröhre wird ein Grundkörper aus einer Keramik auf der Basis von Siliziumcarbid erzeugt und mit einer Wolframbrennbahn versehen, wobei zwischen der Wolframbrennbahn und dem Grundkörper eine Zwischenschicht erzeugt wird, welche zumindest ein Wolframsilicid und/oder Wolframcarbid umfasst.

Eine solche Zwischenschicht weist eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 2100°C auf, so dass auf die Verwendung zusätzlicher Hochtemperaturlote zum Verbinden der Wolframbrennbahn mit dem Grundkörper verzichtet werden kann. Es ist daher im Idealfall möglich, mit dem beschriebenen Verfahren eine hochtemperaturfeste und haftungsvermittelnde Zwischenschicht ohne zusätzliche Verfahrensschritte zu schaffen. Es ist dabei zweckmäßig, von einem bereits gesinterten Grundkörper auszugehen und diesen mit der Wolframbrennbahn zu fügen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann hierfür das Diffusionsschweißen Anwendung finden. Dabei wer- den Wolframringe oder -segmente auf dem Grundkörper unter mechanischem Druck fixiert und auf 1650-2000°C geheizt. Zwischen dem Wolfram und der Keramik kommt es zu Diffusion, wodurch an der Grenzfläche die gewünschte Wolframcarbid- und/oder -silicid-Zwischenschicht entsteht.

Alternativ kann das Fügen von Grundkörper und Wolframbrennbahn auch durch Orbitalreibschweißen erfolgen. Hier werden Wolframplättchen in Form von Segmenten auf den Grundkörper aufgebracht. Die Reibung während des Reibschweißprozesses er- höht auch hier die Temperatur in der Fügezone auf 1600-

2000°C, so dass ebenfalls durch Diffusion die erfindungsgemäße Zwischenschicht ausgebildet wird.

Neben den obenstehend beschriebenen Fügeverfahren können auch generative Verfahren eingesetzt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird hierzu das selektive Laserschmelzen eingesetzt, wobei Wolframpulver im Bereich der zu bildenden Brennbahn auf den Grundkörper mittels LaserStrahlung aufgeschmolzen wird. Der Energieeintrag durch die LaserStrahlung führt auch hier zur Bildung der Wolfram- carbid- bzw. -silicid-Zwischenschicht.

Ein weiteres, alternativ einsetzbares Verfahren ist das feldaktivierte Sintern, auch als Spark-Plasma-Sintern bekannt. Wurde bereits ein keramischer Grundkörper bereitgestellt, so kann durch diese Methode sowohl Wolframpulver als auch ein vorgefertigter Wolframgrundkorper durch die Applikation von Gleichstrom unter Druck in Form der gewünschten Brennbahn aufgebracht werden. Durch den elektrischen Widerstand wird die elektrische Leistung in Wärmeleistung umgesetzt und ebenfalls die notwendige Sintertemperatur zur Bildung der Zwischenschicht erreicht. Neben der Verbindung von vorgesinterten Grundkörpern erlaubt es das feldaktivierte Sintern auch, Grundkörper und Brennbahn gleichzeitig aus jeweiligen Pulvervorprodukten gemeinsam zur fertigen Drehanode zu sintern.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die für die Erzeugung des Grundkörpers genutzte Keramik zumindest ein hochtemperaturbeständiges Diborid. Durch einen solchen Zusatz zu SiC-basierten Keramiken kann deren Temperaturbeständigkeit und mechanische Festigkeit gesteigert werden, so dass besonders haltbare Drehanoden erhalten werden .

Die Erfindung betrifft ferner eine Drehanode, wie sie mittels eines solchen Verfahrens erhältlich ist. Wie bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert, verleiht eine Zwischenschicht aus Wolframcarbiden und/oder Wolframsiliciden zwischen der Wolframbrennbahn und dem Siliciumcarbid- basierten Grundkörper der Drehanode eine besonders gute me- chanische und thermische Beständigkeit.

Auch hier ist es zur Verbesserung der Materialeigenschaften zweckmäßig, wenn der Grundkörper neben Siliziumcarbid zumindest ein hochtemperaturbeständiges Diborid umfasst.

Im Folgenden werden die Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige FIG zeigt hierbei eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich zwischen einem keramischen Grundkörper und einer Wolframbrennbahn eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drehanode.

Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete, in der Figur nur ausschnittsweise gezeigte Drehanode für eine Röntgenröhre um- fasst einen Grundkörper 12 aus einer Keramik und eine Brennbahn 14 aus Wolfram, welche bei Elektronenbestrahlung Röntgenstrahlung abgibt. Aufgrund der hohen Energiedichte im Betrieb moderner Röntgenröhren sind für den Grundkörper 12 Materialien notwendig, die sowohl hochtemperaturbeständig sind, als auch eine hinreichende mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen aufwei- sen, um Drehfreguenzen von 300-400 Hz standhalten zu können. Eine geeignete Materialklasse, die diese Bedingungen erfüllt, sind Keramiken aus Siliziumcarbid oder Siliziumcar- bid/Diborid-Verbünden . Um den Halt der Brennbahn 14 auf einem Grundkörper aus solchen Materialien zu verbessern, wird bei der Herstellung der Drehanode 10 eine Zwischenschicht 16 zwischen Brennbahn 14 und Grundkörper 12 erzeugt, die aus hochtemperaturfesten Wolframcarbiden und Wolframsiliciden besteht. Die Zwischen- schicht 16 bildet sich dabei durch thermisch geförderte Diffusionsprozesse zwischen dem metallischen Wolfram der Brennbahn 14 und der Keramik des Grundkörpers. Die Darstellung einer deutlich abgegrenzten Zwischenschicht 16 in der FIG ist daher schematisch zu verstehen - in der Realität gehen die Materialzusammensetzungen von Grundkörper 12 und Brennbahn 14 in einer kontinuierlichen Interfacezone ineinander über.

Zur Erzeugung einer derartigen Verbindung zwischen Brennbahn 14 und Grundkörper 12 existieren mehrere Möglichkeiten.

Beim Diffusionsschweißen werden zunächst Wolframringe oder Segmente in Form der zu bildenden Brennbahn 14 auf den Grundkörper 12 aufgelegt und unter mechanischem Druck fixiert. Durch Aufheizen dieses Verbundes auf 1650-2000°C kommt es zum erwünschten Diffusionsprozess zwischen dem Wolfram und der Keramik, wodurch sich die Zwischenschicht 16 ausbildet und die Brennbahn 14 fest am Grundkörper 12 fixiert wird.

Alternativ kann auch das orbitale Reibschweißen zur Herstel- lung der Drehanode 12 verwendet werden. Hierbei werden Wolf- ramplättchen in Form von Segmenten auf den Grundkörper 12 appliziert. Der Grundkörper 12 wird dann mit den Wolframplätt- chen in einer Reibschweißanlage fest eingespannt und die kor- respondierenden Reibflächen angepresst. Durch eine orbitale Bewegung beider Seiten resultiert Reibungswärme, die den An- bindungsbereich der Brennbahn 14 auf 1600-2000°C erhitzt, so dass ebenfalls eine feste Anbindung der Brennbahn 14 am Grundkörper unter Ausbildung einer Wolframcarbide und

Wolframsilicide enthaltenden Zwischenschicht 16 zustande kommt .

Neben den bereits geschilderten Fügeverfahren können auch ge- nerative Verfahren zum Herstellen der Drehanode 10 verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist das selektive Laserschmelzen. Hierbei wird die Brennbahn 14 aus einem Bett von Wolframpulver kontinuierlich aufgebaut. Der Grundkörper 12 wird hierzu drehbar über dem Pulverbett montiert und anfangs mit einer dünnen Schicht Wolframpulver überzogen, welche zunächst durch Laserbestrahlung relativ geringer Leistung vorgewärmt wird, um die Haftung zu verbessern. Anschließend wird die Laserleistung gesteigert, wobei die Wolframpartikel versintern und durch Diffusion zwischen dem Wolfram und dem Grundkörper 12 die Zwischenschicht 16 aufgebaut wird. Nach Versintern einer Schicht wird der Grundkörper 12 abgesenkt und erneut mit Wolframpulver überzogen und die Laserbehandlung wiederholt, bis die gewünschte Brennbahndicke erreicht ist. Ein weiteres generatives Verfahren, welches zur Herstellung der Drehanode 10 eingesetzt werden kann, ist das feldaktivierte Sintern oder Plasma-Spark-Sintern . Bei diesem mit dem Heißpressen vergleichbaren Sinterverfahren werden die zu versinternden Pulver oder Vorkörper in einer Negativform vorver- dichtet und mit Graphitelektroden in Kontakt gebracht. Über eine hydraulische Presse wird über den gesamten Sinterprozess Druck auf das Material ausgeübt. Gleichzeitig werden die Graphitelektroden mit Gleichstrom von einigen Kiloampere bei Spannungen von einigen Volt beaufschlagt. Der direkt durch das zu versinternde Material geleitete Gleichstrom erzeugt aufgrund des Ohm' sehen Widerstands im Material Wärme, so dass dieses bis zur Sintertemperatur aufgeheizt wird. Bei diesem Verfahren können sowohl die Brennbahn 14 als auch der Grundkörper 12 gleichzeitig aus entsprechenden Wolframbzw. SiC/Diborid-Pulvern aufgebaut werden. Sowohl für den Grundkörper 12 als auch für die Brennbahn 14 können jedoch auch vorgeformte Formkörper eingesetzt und versintert werden. In allen Fällen kommt es auch hier zu Diffusionsprozessen zwischen dem Wolfram und der Keramik, die zur Ausbildung der Zwischenschicht 16 führen. Die zuletzt geschilderten generativen Verfahren bringen den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass sie die Ausbildung komplex geformter Brennbahnen 14 auch auf gekrümmten oder andersartig komplex geformten Oberflächen ermöglichen. Gleichzeitig können generative Mikrostrukturen zur Reduzierung von Eigenspannungen und zur Kontrolle der Rissstruktur in die Brennbahn 14 eingebracht werden.

Eine besonders schnelle Herstellung der Drehanode 10 ist dabei insbesondere mit dem feldaktivierten Sintern möglich, welches Zykluszeiten von 2-4 h aufweist. Kurze Sinterzeiten sind insbesondere von Bedeutung, da zu langes Halten bei Sintertemperatur zu Riesenkornwachstum und Rekristallisation im Wolfram der Brennbahn 14 führen können, was deren Lebensdauer beeinträchtigen kann.