(57)【要約】  少なくとも２つの耐熱金属を有する合金及びこのような合金を形成するための方法が提案されている。この合金において、合金の小さな方の部分を形成する第１の耐熱金属、例えばタンタルは、合金の大きな方の部分を形成する第２の耐熱金属、例えばタングステンに完全に溶解される。この合金は、共通のるつぼにこれら２つの耐熱金属を供給するステップ（ステップＳ１）、電子ビームを当てることにより両方の耐熱金属を溶融するステップ（ステップＳ２）、前記溶融した耐熱金属を混合するステップ（ステップＳ３）及び前記溶融物を凝固させるステップ（ステップＳ４）によって形成される。溶融した状態で前記耐熱金属の成分を完全に混合することが可能であるため、凝固した合金の改善した物質特性が達成される。さらに、レニウムに代わり、タンタルをタングステンと一緒に使用することで、安価であり、耐性のある耐熱金属が製造され、この合金は例えばＸ線の陽極の焦点軌道の領域を形成するのに使用される。
2013513026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの耐熱金属を有する合金を形成するための方法において、
共通のるつぼに前記２つの耐熱金属を供給するステップ、
電子ビームを加えることにより両方の耐熱金属を溶融するステップ、
前記溶融した耐熱金属を混合するステップ、及び
前記溶融物を凝固させるステップ
を有する方法。
【請求項２】
第１の耐熱金属はタングステンであり、第２の耐熱金属はタンタルである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
タンタルは５％から１５％の間の重量％で供給される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記耐熱金属の少なくとも一方は、粉末として供給される請求項１、２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記融解した耐熱金属は凝固させるために急冷される請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記融解した耐熱金属は凝固させるためにガス噴霧により粉末化される請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
Ｘ線の陽極を作製する方法において、
請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法を用いて合金を作製するステップ、及び
前記Ｘ線の陽極の焦点軌道の領域を形成する、前記Ｘ線の陽極の基板の一部に少なくとも合金を適用するステップ
を有する方法。
【請求項８】
少なくとも２つの耐熱金属を有する合金において、前記合金の小さな方の部分を形成する第１の耐熱金属は、前記合金の大きな方の部分を形成する第２の耐熱金属に完全に溶融される合金。
【請求項９】
前記第１の耐熱金属はタンタルであり、前記第２の耐熱金属はタングステンである請求項８に記載の合金。
【請求項１０】
タンタルは５％から１５％の重量％で前記合金に含まれている請求項９に記載の合金。
【請求項１１】
前記合金は粉末として供給される請求項８乃至１０の何れか一項に記載の合金。
【請求項１２】
前記第１及び第２の耐熱金属は固溶体を形成する請求項８乃至１１の何れか一項に記載の合金。
【請求項１３】
焦点軌道の領域を形成する少なくともＸ線の陽極の一部は、請求項８乃至１２の何れか一項に記載の合金を有するＸ線の陽極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの耐熱金属を有する合金、及びこのような合金を有するＸ線の陽極に関する。さらに、本発明は上記合金を作製する方法、及び上記Ｘ線の陽極を作製する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回転陽極Ｘ線管は通常、耐熱金属のターゲットで構成されるＸ線の陽極を具備している。このようなターゲットは、高温抵抗、高い機械的強度、良好な熱伝導性及び高い熱容量を含む多くの好ましい特性を持つべきである。Ｘ線装置における回転陽極は、Ｘ線発生処理から引き起こされる熱機械的応力と同じく、大きな機械的応力にさらされている。Ｘ線は、陽極の焦点軌道の電子衝撃(electron bombardment)により発生する。前記焦点軌道に及び次いで陽極の表面に印加されるエネルギーの大部分は熱に変換され、この熱は管理されなければならない。前記電子衝撃による焦点の局所的な加熱は、ターゲット角(target angle)、焦点軌道の直径、焦点サイズ（ｘ幅の長さ）、回転周波数、印加電力、並びに例えば熱伝導性、密度及び比熱のような材料特性の関数である。焦点温度及び熱機械的応力は通常、上述した変数を適切に制御及び選択することにより管理される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、多くの場合において、Ｘ線管のプロトコルは、材料特性の制限によりこれらの変数を修正する能力が限られるために制限される。故に、従来の回転陽極Ｘ線管は、局所的な体積から熱を奪う前記材料の能力と同じく、陽極の基板の材料の機械特性によりしばしば制限される。
【０００４】
従来、Ｘ線の陽極は、様々な手段によりタングステン−レニウム(Tungsten-Rhenium)合金を用いて製造される。現在の方法は、タングステン及びレニウムの粉末を機械的に混合するか又はタングステンの粉末と混合するためのレニウムを含む溶媒を使用するかである。両方の現行方式はこのとき、タングステン−レニウム合金を作るための焼結処理中のレニウムの拡散に依存している。レニウムは、改善した延性を持つ合金を作るために、タングステンの焦点軌道に加えられる。
【０００５】
しかしながら、現在の合金製造処理は、材料特性に影響を及ぼす要素の芳しくない分散を作る可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
少なくとも２つの耐熱金属を有する合金が必要であり、この合金は改善した材料特性を持つ。さらに、このような合金を形成する方法も必要である。加えて、少なくとも、焦点軌道の領域が上記合金を有するＸ線の陽極及びこのようなＸ線の陽極を作製する方法が必要である。
【０００７】
これらの必要性は、独立請求項の主題によって満たされている。本発明の有利な実施例は、従属請求項に述べられている。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも２つの耐熱金属を有する合金を形成するための方法が提案されている。この方法は、以下のステップ、
（ａ）２つの耐熱金属を共通のるつぼに供給するステップ、
（ｂ）電子ビームを当てることにより両方の耐熱金属を溶融するステップ、
（ｃ）これら両方の耐熱金属を混合するステップ、及び
（ｄ）溶融物を凝固させるステップ
を好ましくは示した順序で有する。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、Ｘ線の陽極を作製するための方法が提案され、ここで前記方法は、本発明の上記第１の態様に従う方法を用いて合金を作製するステップ、及び前記合金を少なくともＸ線の陽極の基板の一部に適用するステップであり、その部分がＸ線の陽極の焦点軌道の領域を形成しているステップ、を有する。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、少なくとも２つの耐熱金属を有する合金が提案される。このような合金において、この合金の小さい方の部分を形成する第１の耐熱金属は、この金属の大きい方の部分を形成する第２の耐熱金属に完全に溶融する。
【００１１】
本発明の第４の態様によれば、Ｘ線の陽極が提案され、ここで焦点軌道の領域を形成するＸ線の陽極の少なくとも一部は、本発明の上記第３の態様に従う合金を有する。
【００１２】
本発明の要旨は、以下の所見及び考えに基づいて観察される。
【００１３】
現在の耐熱金属の合金において、材料特性はしばしば最適ではないことが観察されている。このような金属特性の欠陥は、合金を形成する元素、すなわち合金を構成する粒子の芳しくない分布によるものである。従来、合金を形成している耐熱金属は、純金属の粉末の混合物が凝集した粉末の形式で供給され、例えば電流を用いて加熱され、及び例えば焼きなまし(annealing)ステップを用いた冷間加工によりさらに製造される。このような従来の製造方法を用いる場合、耐熱金属の合金でワイヤ、鋳塊、鉄筋、薄板又は箔が作られる。しかしながら、肉眼で見える粒子を有する粉末の形式で合金の成分を提供するので、少なくとも２つの耐熱金属の原子は通常、最終的な合金全体に均一に分配されない。
【００１４】
概念はここで、共通のつるぼに少なくとも２つの耐熱金属を供給すること、及び溶融した耐熱金属が簡単且つ好ましくは完全に混合することができるように両方の耐熱金属を溶融することである。ここで、一般に非常に高い融点の温度を持つ耐熱金属を溶融する有利な方法は、電子ビームでの加熱、すなわち高いエネルギーの電子を有する電子ビームをるつぼに含まれる耐熱金属材料に向けることであることが観察されている。電子ビームを加えることにより、耐熱金属の融点よりもかなり上の非常に高い温度が達成される。溶融した耐熱金属が混合された後、その融解物は冷却され、それにより融解物を再び凝固させる。この凝固した融解物は次いで、２つの耐熱金属が互いに完全に溶け合っている合金を形成する。合金成分のこのような均一の混合物は、例えば高温抵抗、高い機械的強度、良好な熱伝導性、高い熱容量等のような作製された合金の有利な金属特性をもたらす。
【００１５】
耐熱金属は、熱及び摩耗に対し極めて耐性がある金属の種類（クラス）である。どの元素がこの族(group)に属しているかの定義は、より広義の解釈では、超ウラン元素を除くが、第７族の元素のレニウムを含む、第４族、第５族、第６族の１０元素を有する。狭義では、耐熱金属の族は少なくとも、５つの金属、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル及びレニウムを有する。
【００１６】
本発明の実施例によれば、作製された合金に含まれる２つの耐熱金属は、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）である。ここで、タンタルは、合金の全重量を基準に、５％から１５％の間、好ましくは８％から１２％の間、例えば約１０％の重量％で供給される。この合金の残りは、タングステンでも、又は他の元素、特に他の耐熱金属元素をさらに有するタングステンでもよい。
【００１７】
例えばＸ線の陽極に使用される従来の耐熱金属の合金は一般に、十分な熱及び機械的強度を得るためにタングステン（Ｗ）及びレニウム（Ｒｅ）から構成される一方、特にレニウムは非常に高価であり、合金及びその合金を用いて製造される装置の高値をもたらすことが観察されている。その上、合金に含まれるレニウムは、Ｘ線の陽極の動作中に頻繁に発生する幾つかの焦点軌道の浸食(erosion)問題の原因であることが観察されている。このような焦点軌道の浸食問題は"干潟化(mudflatting)"として知られてもいる。
【００１８】
従来の耐熱金属の合金、例えば特にタングステンをベースにする合金に含まれるレニウム成分をタンタル成分に置き換えることがここでの考えである。タンタルはレニウムよりもかなり安価であり、延性に関しては他の殆どの耐熱金属よりも勝っている。タンタルは、黒く、高密度であり、延性があり、非常に硬く、簡単に製造され、並びに熱及び電気の高い伝導性がある。さらに、その金属は腐食に対し耐性があることでよく知られている。
【００１９】
さらに、タングステンと一緒の合金においてレニウムの代わりにタンタルを使用する場合、焦点軌道の浸食問題（干潟化）が緩和されることが観察されている。この観察の妥当な説明は、例えば耐熱金属の合金を用いたＸ線の陽極の動作中に分子を失うことにより干潟化が始まる。このような陽極の動作中、高い運動量を持つ粒子が陽極の焦点軌道の表面に衝突する。５００ｅＶのエネルギーを持つアルゴン（Ａｒ）を１ｍＡ／ｃｍ２の線束でスパッタリングする一方、レニウムのスパッタ速度は４７０Å／ｍｉｎであることが分かる。タングステン及びタンタルは夫々約３４０及び３８０Å／ｍｉｎのかなり低いスパッタ速度を持つ。それ故に、タングステンと一緒の合金においてレニウムをタンタルに置き換えることにより、この合金の全スパッタ速度はかなり減少され、それにより焦点軌道の浸食問題（干潟化）を緩和する可能性がある。
【００２０】
本発明の他の実施例によれば、前記合金に含まれる耐熱金属の少なくとも１つは粉末として供給される。好ましくは、両方の耐熱金属の成分が粉末の形式で供給される。この粉末は、例えば２μｍから１００μｍの範囲の大きさを持つ粒子を有する。（複数の）耐熱金属を粉末として供給することにより、２つの耐熱金属は、溶融する前にある程度、既に前もって混合されてもよい。それに応じて、後で溶融した耐熱金属内の混合処理は拡散及び対流構造を有するので、２つの耐熱金属成分が互いに完全に溶融したことをもたらす合金成分の完全な混合が早く達成されるほど、より多くの合金を形成する成分が溶融処理の前に既に混合される。それ故に、粉末を形成する小さな粒子の形式で耐熱金属の成分を供給することは、溶融した耐熱金属の混合処理をかなり加速させ、故に提案した方法を行うのに必要とされる全時間期間を大幅に短くする。
【００２１】
本発明の他の実施例によれば、溶融した耐熱金属は、凝固のために急冷される。ここで"急冷(quenching)"は、２つの溶融した耐熱金属を含む溶融物が非常に急速に冷却されることを意味している。例えば２００Ｋｓ−１から２０００Ｋｓ−１までの範囲、例えば８００Ｋｓ−１から１２００Ｋｓ−１までの間における冷却速度が利用される。例えば、溶融物は、この溶融物を例えば液体窒素のような非常に冷たい液体に接触させることにより、急速に冷却されてもよい。
【００２２】
溶融した耐熱金属を有する溶融物を急速に冷却する１つの可能な方法は、ガス噴霧による粉状化処理であり、これによりこの溶融物を凝固させる。ここで、液体の溶融物は、微粒子を分布させるために粉末に形成される。通例、ガス噴霧処理は、溶融した金属を耐熱の穴(orifice)を介して注ぎ込むことにより実行され、高圧の不活性ガス、一般的にアルゴンがこの溶融した金属を液体の液滴にして、これら液滴が凝固する。
【００２３】
２つの耐熱金属を有する溶融物を凝固させるための急冷処理、すなわち急速な冷却を使用することは、いわゆる"無限固溶体(infinite solid solution)"の形成を有利にもたらす。
【００２４】
固溶体は、１つ以上の溶質が溶媒において固体状態で溶融していることである。ここで、溶質は、最終生成物、すなわち最終的な合金の小さい方の部分を形成する成分とみなされるのに対し、溶媒は、この最終生成物の大きな成分により形成されるとみなされてもよい。本実施例において、溶質は例えばタンタルであるのに対し、溶媒はタングステンでもよい。溶質及び溶媒を有する混合物は、溶質を加えても溶媒の結晶構造が変化せずに残っているとき、及び混合物が単一の均一相で残っているとき、合成物よりも溶液を考慮する。これは、含まれる２つの成分、すなわち本事例では２つの耐熱金属が周期表上ですぐ近くにあるとき、しばしば起こる。溶質が溶媒の結晶格子に置換して組み込む、すなわちこの格子、すなわち格子間にある溶媒の粒子を置換することにより、すなわち溶媒の粒子間の空間に嵌合させることにより組み込む。固体の溶液のこれらの形式は共に、前記結晶格子を歪めること、並びに溶媒の材料の物理的及び電気的な均一性を破壊することにより、この材料の特性に影響を及ぼしてもよい。液体の溶液は、重要な商業的及び工業的な応用性があり、例えば混合物は純物質より優れた特性をしばしば持っている。さらに少量の溶質がこの溶媒の電気的及び物理的特性に影響を及ぼしてもよい。
【００２５】
"無限固溶体"における"無限"という言葉は、２つの金属が如何なるパーセンテージの固体の溶液を形成することが可能であり、単一相を依然として維持している、すなわち第２の相を生じさせることなく溶質のパーセンテージを０から１００％までにすることができると解釈される。
【００２６】
本発明の態様及び実施例は、異なる対象を参照して説明されていることに注意すべきである。特に、幾つかの実施例は、方法形式の請求項を参照して説明されているのに対し、他の実施例は、装置形式の請求項を参照して説明されている。しかしながら、特に他に定めない限り、ある形式の対象に属する特徴の如何なる組み合わせに加え、異なる対象に関連する特徴間の如何なる組み合わせも本出願と共に開示されると考えられることを、当業者は上記及び以下の説明から推測するだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例による合金を形成するための方法のステップを示すフローチャートを示す。
【図２】本発明の実施例による電子ビームを用いて耐熱金属を溶融するための装置を示す。
【図３】本発明の実施例による合金を有するＸ線の陽極を示す。
【図４】本発明の実施例によるＸ線の陽極の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の特徴及び利点は、付随する図面に示されるような特定の実施例に関してさらに開示されるだろうが、本発明がそれらに限定されることはない。
【００２９】
図面に示される特徴は単に図表であり、正確な縮尺ではない。
【００３０】
図１及び図２を参照すると、本発明の実施例による２つの耐熱金属を有する合金を形成するための方法が説明されている。
【００３１】
図１に示されるフローチャートに表示されるように、第１のステップ（ステップＳ１）において、２つの耐熱金属、例えばタングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）は、粉末を形成する小さな粒子の形式で供給される。図２に示されるように、２つの耐熱金属成分を有する粉末１は、真空容器５内に封入されるるつぼ３に充填されている。
【００３２】
次に、例えば１０−５トル(torr)の圧力の真空が真空ポンプ７を用いて前記真空容器５内に発生させる。次いで、次のステップ（Ｓ２）において、高エネルギーの電子ビーム９がるつぼ３に含まれる粉砕された耐熱金属の混合物に向けられる。この電子ビーム９は、陰極１１により放出され、陽極１３により加速及び制御される。これら陰極１１及び陽極１３は制御器１５に接続されている。陰極１１により放出された電子は、陽極１３を用いて加速され、２０ｋｅＶから５０ｋｅＶまでの間の範囲で非常に高いエネルギーになる。さらに、陽極１３は、つるぼ３内にある耐熱金属の粉末を均一に加熱するために、前記耐熱金属の粉末の表面に沿って電子ビーム９が走査されるように、例えば電子ビーム９をるつぼ３に含まれる前記耐熱金属に焦点を合わせるように制御される。電子ビーム９の高エネルギーの電子が衝突する際、耐熱金属の粉末１は、両方の耐熱金属を有する、溶融した液体状態の溶融物が形成されるように、例えばタングステンの融点である３４１０℃より上であるような高い温度に加熱される。この溶融状態において、これら２つの耐熱金属は、拡散及び/又は対流処理によって混合する。それにより、タンタルがタングステン内に完全に溶融した混合物が生成される。
【００３３】
最終ステップ（ステップＳ４）において、るつぼ３に含まれる溶融物が急速に冷却（"急冷"）され、それによりこの溶融物を凝固させる。このような冷却処理は、液体の溶融物をガス噴霧することにより実現してもよい。そこで、溶融した耐熱金属の混合物が穴に通され、混合物がノズルから出る直前に、ガスが金属流に取り込まれてもよい。これは取り込んだガスは加熱によって膨張し、穴の外側にある大きな収集体積内に排出するので、気流の乱れを作り出すのに役立っている。前記収集体積はガスで充填され、溶融した金属の噴出のさらなる乱れを助長する。発生した粉末流は重力を用いて分別される。
【００３４】
図３において、一般的なガス噴霧ノズル３１が示される。このようなノズル３１は、るつぼ３に接続されてもよいが、明瞭性を理由に図２には示されていない。タンディッシュ(tundish)又はるつぼから来る液体の溶融物３３は、この溶融物が射出されるノズルの穴３５に流れる。ガス吸気口３９から来るガス噴射３７は、気流の乱れを作り、それにより前記金属流を噴霧して、急速に冷却される金属の液滴４１にするために、射出した金属流に向けられる。
【００３５】
図４は、本発明の実施例によるＸ線の陽極２１の断面図を示す。このＸ線の陽極２１は、動作中に陽極がその周りを回転する軸２５に取り付けられるディスク形状の基板２３を有する。傾斜面２７に焦点軌道の領域２９が設けられる。この焦点軌道の領域２９は、タングステン−タンタル合金を有し、この合金の作製は上述してある。この合金を利用するために、主に２つの方法が使用される。１つの方法は粉末冶金であり、ここでタングステン合金の粉末が最初に鋳型に加えられる。この粉末は焦点軌道の位置に分配される。次いで、０．５重量％のＴｉ及び０．０７重量％のＺｒを持つモリブデン合金であるＴＺＭは、純モリブデン又は例えばＭｏ−Ｌａ２Ｏ３の粉末のような他の基板金属の粉末よりも良好な特性を持ち、このＴＺＭが鋳型に加えられる。粉末は、静水圧プレスにより標的の空白箇所に押しつけられる。他の方法は最初に粉末冶金を用いてＴＺＭ基板を作り、次いで真空プラズマがタングステン合金をＴＺＭ基板に吹き付ける。
【００３６】
このタングステン−タンタル合金の改善された金属特性によって、Ｘ線の陽極２１は、例えば改善された熱抵抗、改善された機械的強度等のような優れた特徴を持つ。さらに、このようなＸ線の陽極２１は、先行技術のＸ線の陽極の焦点軌道の材料に従来は含まれる高価なレニウムが比較的安価なタンタルに置き換えられるので、削減したコストで作られる。提案される標的は、例えば心臓血管又はＣＴ医療撮像器具に使用され得る高性能な製品として考えられるような回転陽極Ｘ線管に用いられる。検査及びセキュリティに使用されるＸ線管もこれから恩恵を受けることができる。
【００３７】
"有する"という用語はそれ以外の要素又はステップを排除するものではないこと、及び複数あることを述べないことがそれらが複数あることを排除するものではないこと、に注意すべきである。さらに、異なる実施例に関連して述べた要素が組み合わされてもよい。請求項における参照符号は、これら請求項の範囲を限定すると考えないことにも注意すべきである。
【符号の説明】
【００３８】
１  ２つの耐熱金属を有する粉末
３  るつぼ
５  真空容器
７  真空ポンプ
９  電子ビーム
１１  陰極
１３  陽極
１５  制御器
２１  Ｘ線の陽極
２３  基板
２５  軸
２７  傾斜面
２９  焦点軌道
３１  ガス噴霧ノズル
３３  溶融物
３５  ノズルの穴
３７  ガス噴射
３９  ガス吸気口
４１  金属の液滴
【図１】
2013513026.tif 000003
【図２】
2013513026.tif 000004
【図３】
2013513026.tif 000005
【図４】
2013513026.tif 000006
【国際調査報告】
2013513026.tif 000007
2013513026.tif 000008