AT17963U1 - Rotorbauteil für eine röntgendrehanode - Google Patents

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AT17963U1
AT17963U1 ATGM50064/2022U AT500642022U AT17963U1 AT 17963 U1 AT17963 U1 AT 17963U1 AT 500642022 U AT500642022 U AT 500642022U AT 17963 U1 AT17963 U1 AT 17963U1
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AT
Austria
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spray coating
coating
carrier body
rotor component
based alloy
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ATGM50064/2022U
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Bienert Christian
O´Sullivan Michael
Lang Bernhard
sprenger Dietmar
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Plansee Se
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Abstract

Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode, welches einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung aufweist, wobei der Trägerkörper aus einem der folgenden Materialien, bestehend aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetall‐basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon, hergestellt ist, und die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu‐basierten Legierung besteht, wobei der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise an einer Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur des Rotorbauteils keine Übergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist.

Description

Beschreibung
ROTORBAUTEIL FÜR EINE RÖNTGENDREHANODE
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode.
[0002] Ein Rotor für eine Röntgendrehanode ist innerhalb eines Vakuumgehäuses drehbar gelagert, und mit der Röntgendrehanode drehfest verbunden. Der Rotor bildet mit einem Stator einen Elektromotor, der bei Anschluss des Stators an eine Stromversorgung die Röntgendrehanode innerhalb des Vakuumgehäuses in Rotation versetzt. Gewöhnlich besteht der Rotor für die Röntgendrehanode aus einem Kupferzylinder, der einen rohrförmigen Eisenkern umschließt. Dabei ist es nachteilig, dass die für den elektrischen Antrieb erforderlichen Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass sie aneinander befestigt werden müssen, um die in der Röntgenröhre auftretenden Temperaturschwankungen unter Beibehaltung einer stabilen Anordnung des Rotors zu überstehen.
[0003] Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift DE 199 45 414 A1 bekannt, einen äußeren rotationssymmetrischen Abschnitt eines Rotors (aus z.B. Kupfer) auf einem inneren rotationssymmetrischen Abschnitt des Rotors (aus ferromagnetischem Material, z.B. Stahl) als Beschichtung aufzubringen, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Materialien zu bekommen. Dies erfolgt in der DE 199 45 414 A1 durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen. Beim Laserauftragsschweißen wird der aufzuschweißende Werkstoff mit einem definierten Massenstrom als Pulver auf den Grundwerkstoff aus einer Düse aufgebracht und unmittelbar anschließend durch kontinuierliche Einwirkung von Laserlicht geschmolzen, wodurch er eine Schweißverbindung mit dem Grundwerkstoff eingeht. Dabei bildet sich jedoch eine Grenzschicht, in der sich die beiden Materialien vermischen (da der Laser den Grundwerkstoff lokal aufschmilzt). Diese Grenzschicht stellt eine Diskontinuität in den Eigenschaften der jeweiligen Materialien dar.
[0004] Derzeit werden Rotorbauteile aus ferromagnetischem Material (z.B. Stahl) mit einer Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung vorrangig durch Hintergießen hergestellt. Unter Hintergießen versteht man die schmelzmetallurgische Aufbringung eines Materials auf einen Trägerkörper, wobei der Trägerkörper bei den verwendeten Prozessparametern stets im festen Aggregatszustand vorliegt. Beim Hintergießen wird beispielsweise ein fest vorliegender bulkförmiger Trägerkörper bestehend beispielsweise aus Stahl in eine Graphitform eingesetzt. Anschließend wird er mit einem zweiten Material, bestehend aus einer Schmelze aus beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, hintergossen. Der Schmelzpunkt für reines Kupfer liegt beispielsweise bei 1083°C. Durch eine gezielt gesteuerte Erstarrung der Kupfer- oder Kupferlegierungsschmelze lassen sich weitestgehend porenfreie Grenz- bzw. Verbindungsflächen mit guter direkter Anbindung des Kupfers bzw. der Kupferlegierung an den Trägerkörper realisieren. Somit müssen keine weiteren Verbindungsflächen, wie beispielsweise beim Löten, realisiert werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die relativ hohe Temperatur der Schmelze, die auf den Trägerkörper einwirkt, besonders an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Beschichtung. Diese hohe Temperatur führt nämlich dazu, dass sich eine Ubergangszone zwischen der Kupfer- oder Kupferlegierungs-Beschichtung und dem Trägerkörper ausbildet. Die Übergangszone bildet sich durch das Anschmelzen bzw. Lösen des Trägerkörpermaterials in dem/der durch Hintergießen aufgebrachten Kupfer oder Kupferlegierung, d.h. das Material an der Oberfläche des Trägerkörpers wird angelöst und diffundiert in die Beschichtung, so dass keine homogenen Materialeigenschaften in der Ubergangszone vorliegen. Darüber hinaus können einzelne Bestandteile des Trägerköpermaterials (beispielsweise Fe) über die Ubergangszone hinaus in die Beschichtung diffundieren und so die Materialeigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Das abgekühlte Rotorbauteil zeigt nach Erstarrung des Kupfers oder der Kupferlegierung eine Mikrostruktur (erkennbar beispielsweise in einer Rastermikroskop-Aufnahme im Querschliff) bestehend aus einem Trägerkörper, einer Beschichtung sowie einer Ubergangszone zwischen den beiden Materialien. Bei dem genannten Hinterguß-Verfahren erfolgt nach dem Erstarren der Kup-
fer- oder Kupferlegierungsschmelze eine mechanische Bearbeitung bzw. Nachbearbeitung des beschichteten Rotorbauteils durch Drehen, Fräsen, Schneiden usw. bis hin zur finalen Bauteilgeometrie. Hier spricht man von einer „top-down“ Bearbeitungsstrategie, d.h. bei der Bearbeitung verläuft die Wirkrichtung des Bearbeitens von „oben nach unten“ - abtragend bzw. subtraktiv vom Übergeordneten zum Konkreten - z.B. vom voll hintergossenen Bauteil durch spanenden Abtrag hin zur finalen Baugeometrie. Die finale Baugeometrie des Rotorbauteils ist aufgrund der mechanischen Bearbeitung nur rotationssymmetrisch sinnvoll darstellbar, da Einzelfräsbearbeitungen von nicht-rotationssymmetrischen Geometrien sehr zeit- und kostenintensiv sind.
[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein verbessertes Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode bereitzustellen, insbesondere ein Rotorbauteil, bei dem die elektrische Leitfähigkeit sowohl der Beschichtung als auch im Bereich der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung verbessert ist. Des Weiteren besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotorbauteils bereitzustellen.
[0006] Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode, welches einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung aufweist, wobei der Trägerkörper aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetall-basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon hergestellt ist, und die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung besteht, wobei der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise an einer Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur des Rotorbauteils keine Ubergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist, gemäß Anspruch 1. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung des Rotorbauteils angegeben mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen, die untereinander frei kombinierbar sind.
[0007] Die Erfinder haben dabei festgestellt, dass in der Übergangszone, welche sich beim Hintergießen zwischen Trägerkörper und Beschichtung ausbildet, andere Materialeigenschaften der Bindungspartner vorliegen. Darüber hinaus können beim Hintergießen einzelne Bestandteile des Trägerkörpermaterials über die Ubergangszone hinaus in die Beschichtung diffundieren und die Materialeigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Diese veränderten Materialeigenschaften (sowohl in der Ubergangszone als auch in der Beschichtung) wirken sich beim Einsatz des Rotorbauteils negativ aus. Insbesondere ist die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung in der durch Hinterguß hergestellten Beschichtung, sowie in der Übergangszone, gegenüber einer „reinen“ Beschichtung (aus Kupfer oder Kupferlegierung) reduziert.
[0008] Im erfindungsgemäßen Rotorbauteil kann die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers vollumfänglich genutzt werden, da es zu keiner Reduzierung der Leitfähigkeit durch Anteile gelösten Trägermaterials in der Spritzbeschichtung kommt. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung einen Ressourcen-schonenden Einsatz von Kupfer bzw. Kupferlegierung, beispielsweise durch direktes Aufbringen der Spritzbeschichtung mit nur geringer oder ohne eine Nachbearbeitung der Beschichtung („bottom-up“ Ansatz bei der Bearbeitung, d.h. bei der Bearbeitung bzw. Fertigung verläuft die Wirkrichtung der Bearbeitung aufbauend bzw. additiv von „unten nach oben“ - durch kleine Einheiten bis hin zum Endprodukt - im Gegensatz zur oben genannten „top-down“ Bearbeitungsstrategie). Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Spritzbeschichtung im Vergleich zur Schichtdicke im Hintergußverfahren reduziert werden (Ressouren-schonend) und dennoch kann das erfindungsgemäße Rotorbauteil die gleiche Drehleistung erzielen. Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich Cu- oder Cu-basierte Legierungs-Schichten auch auf kompliziertere Geometrien aufzubringen bzw. es kommen auch Geometrien für Rotorbauteile in Betracht die nicht zwingend rotationssymmetrisch sein müssen.
[0009] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Rotorbauteil einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung auf. Insbesondere muss das Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode geeignet sein, um den Belastungen in der Röntgenröhre standzuhalten. Beispielsweise sollte keine Unwuchten auftreten. Das Rotorbauteil kann dabei der rotierende Teil eines Rotors sein, der die
Röntgendrehanode antreibt. Es kann sich beim Rotorbauteil aber auch um eine Komponente eines Rotors handeln, die mit weiteren Komponenten beispielsweise stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden ist, um die Röntgendrehanode anzutreiben.
[0010] Der Trägerkörper ist aus einem Material bestehend aus einem Refraktärmetall, einer Refraktärmetall-basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung (inklusive Stahl) oder Kombinationen davon, hergestellt. Unter Refraktärmetall versteht man die hochschmelzenden, unedlen Metalle der 5. Nebengruppe (Vanadium, Niob und Tantal) sowie der 6. Nebengruppe (Chrom, Molybdän und Wolfram). Ihr Schmelzpunkt liegt über dem von Platin (1772°C). Unter Refraktärmetall-basierter Legierung kann eine Kombination aus mehreren reinen Refraktärmetallen (z.B. W und Mo), sowie Legierungen davon (z.B. W-Re) und/oder Verbindungen davon verstanden werden. Unter Refraktärmetall-basierter Legierung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Legierungen verstanden, die mindestens 50 Gew.%, insbesondere mindestens 80 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.% eines Refraktärmetalls oder mehrerer Refraktärmetalle enthält. Von den Refraktärmetallen sind besonders Mo und W sowie Mo-basierte Legierungen und W-basierte Legierungen geeignet. Dabei ist in einer Mo- bzw. W-basierten Legierung der Anteil an Mo (bzw. W) = 50 Gew.%, bevorzugt = 80 Gew. %, insbesondere = 90 Gew.% oder = 95 Gew.%. Molybdän verfügt über einen sehr hohen Schmelzpunkt, eine geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb Mo oder eine Mo-basierte Legierung besonders vorteilhaft ist (auch unter Kosten-Gesichtspunkten). Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Formbeständigkeit. Weiterhin und besonders unter Kostengesichtspunkten gut geeignet ist ein Trägerkörper aus einer Kombination von Stahl und Mo mit Abschnitten aus Stahl und Abschnitten aus Mo.
[0011] Unter einer Fe-basierten Legierung versteht man Legierungen mit = 50 Gew.% Fe, insbesondere = 80 Gew.% Fe, besonders bevorzugt = 90 Gew.% oder = 95 Gew.% Fe. Insbesondere wird in der vorliegenden Erfindung Stahl, vorzugsweise mit = 97 Gew.% Fe, für den Trägerkörper bevorzugt.
[0012] Unter der erfindungsgemäßen Spritzbeschichtung versteht man eine Beschichtung, welche mittels thermischer Spritzprozesse aufgebracht wird, wie beispielsweise Plasmaspritzen (an Atmosphäre, unter Schutzgas oder unter niedrigem Druck), Pulverflammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, abgeleitet von High-Velocity-Oxygen-Fuel), Detonationsspritzen (Flammschockspritzen), Laserspritzen und Kaltgasspritzen (CGS, abgeleitet von cold gas spraying). Ein gemeinsames Merkmal aller thermischen Spritzprozesse ist das Zusammenspiel von thermischer und kinetischer Energie. Der Beschichtungsstoff wird erhitzt, beispielsweise in einem Spritzbrenner, (thermische Energie) und/oder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt (kinetische Energie). Eine besonders bevorzugte Beschichtung der vorliegenden Erfindung ist die Kaltgasspritz (CGS: cold gas spraying)-Beschichtung. Eine alternative Ausführungsform ist das Plasmaspritzen.
[0013] Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren bei denen Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer und geringer thermischer Energie auf einen Trägerkörper aufgebracht werden.
[0014] Die Spritzbeschichtung besteht aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung. Unter Cu-basierter Legierung versteht man Legierungen mit Cu, wobei Cu den Hauptbestandteil darstellt und der Anteil von Cu = 50 Gew.%, bevorzugt = 70 Gew.%, besonders bevorzugt = 80 Gew.% beträgt. Beispielhaft für Kupferlegierungen sind CuZn (Cu: Kupfer, Zn: Zink), CuZnSi (Si: Silicium), CuMg (Mg: Magnesium), CuAl (Al: Aluminium), CuBe (Be: Beryllium), CuCrZr (Cr: Chrom, Zr: Zirconium) und CuZr zu nennen. Cu oder die Cu-Legierungen weisen typischerweise unvermeidbare Verunreinigungen auf. In Cu oder einer Cu-Legierungs-Zusammensetzung sind das beispielsweise die Elemente Eisen, Stickstoff und Sauerstoff. Möglich sind auch Verunreinigungen durch Kohlenstoff oder Wasserstoff. Die Spritzbeschichtung der vorliegenden Erfindung kann daher entsprechende Verunreinigungen, insbesondere der vorher genannten Elemente, aufweisen. Die Elemente Sauerstoff, Eisen und Stickstoff sind in der erfindungsgemäßen Spritzbeschichtung bevorzugt maximal in folgenden Mengen vorhanden: <= 1000 ug/g Sauerstoff, <= 500 ug/g Eisen und <= 200 ug/g
Stickstoff. Bei Sauerstoff ist der bevorzugte Gehalt = 500 ug/g, bevorzugter = 250 ug/g, besonders bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt der Beschichtung zwischen 5 und 210 ug/g. Der Stickstoffgehalt liegt bevorzugt bei <= 200 ug/g Stickstoff, bevorzugter bei = 100 ug/g Stickstoff. Besonders bevorzugt liegt der Stickstoffgehalt zwischen 0,5 und 50 ug/g. Der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff sollte in der Spritzbeschichtung möglichst niedrig gehalten werden. Zum einen kann dadurch die Verarbeitbarkeit des Pulvers für die Spritzbeschichtung günstig beeinflusst werden. Zum anderen wird eine Porenbildung in der Spritzbeschichtung zu vermieden. Der Eisengehalt sollte möglichst niedrig sein und bevorzugt = 500 ug/g Eisen aufweisen. Bevorzugter liegt der Eisengehalt bei = 250 ug/g. Besonders bevorzugt liegt der Eisengehalt der Beschichtung = 100 ug/g, am meisten bevorzugt zwischen 0,5 und 50 ug/g, da im Cu oder in der Cu-Legierung gelöstes Fe die Leitfähigkeit der Spritzbeschichtung reduziert.
[0015] Die erfindungsgemäße Spritzbeschichtung weist vorzugsweise eine relative Dichte von > 95%, insbesondere = 97% oder 98% der theoretischen Dichte von Cu bzw. der Cu-basierten Legierung auf. Es können also auch Poren in der Beschichtung vorliegen, die Porosität ist <= 2%, aber bevorzugt kleiner 1,5 %. Eine hohe relative Dichte gewährleistet eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Bestimmung der Dichte folgt dem Prinzip des Archimedes, das die Beziehung zwischen Masse, Volumen und Dichte eines in Flüssigkeit eingetauchten Festkörpers beschreibt. Mit Hilfe der sogenannten Auftriebsmethode wird das Gewicht, vermindert um die Auftriebskraft, bestimmt und daraus sowie aus dem Gewicht an Luft die Dichte berechnet. Die relative Dichte ist dabei die gemessene Dichte, bezogen auf die theoretische Dichte des jeweiligen Werkstoffs zu verstehen. Die theoretische Dichte eines Werkstoffs entspricht der Dichte von porenfreiem, 100 % dichtem Material. In der vorliegenden Erfindung wird für die Bestimmung der Dichte der Trägerkörper nach der Spritzbeschichtung ausgedreht, so dass nur die Beschichtung verbleibt und gemessen werden kann.
[0016] Die Spritzbeschichtung kann sich ganz oder abschnittsweise über den Trägerkörper erstrecken. Die Spritzbeschichtung kann außer dem Trägerkörper auch noch an den Trägerkörper angrenzende Bauteile eines Rotors bedecken. Diese Bauteile können mit dem Trägerkörper beispielsweise stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sein.
[0017] Erfindungsgemäß ist der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise über eine Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden. Die Verbindungsfläche befindet sich zwischen einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des Trägerkörpers und einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche der Spritzbeschichtung und verbindet den Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung stoffschlüssig. Dadurch ist der Trägerköper unlösbar und dauerhaft mit der Spritzbeschichtung verbunden.
[0018] Das erfindungsgemäße Rotorteil weist keine Übergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung auf.
[0019] Unter einer Übergangszone ist gemäß dem Stand der Technik eine Zone der angeschmolzenen Grenzflächen bzw. eine Diffusionszone zu verstehen, die am Ubergang zwischen einem Material eines Trägerkörpers und einem Material einer Beschichtung, z.B. beim Hintergießen des Trägerkörpers mit Cu oder mit einer Cu-Legierung, entstehen kann. Dabei wird das Material an der Oberfläche des Trägerkörpers, beispielsweise aufgrund von hohen Temperaturen, angeschmolzen und diffundiert in die Beschichtung. Ebenso diffundiert das Material der Beschichtung in den Trägerkörper. Zum Beispiel können eine Cu-Schicht und eine Fe-Schicht in einer dazwischen liegenden Übergangszone eine gemeinsame Schicht ausbilden (typischerweise mit einem Gradienten der Zusammensetzungen mit einem hohen Fe-Anteil zu der Seite der Fe-Schicht und einem hohen Cu-Anteil zu der Seite der Cu-Schicht hin), d.h. in einer Ubergangszone liegt typischerweise kein homogenes Material vor. Eine solche Ubergangszone bildet sich normalerweise wie bereits oben beschrieben beim Hintergießen aus.
[0020] „Keine Übergangszone“ heißt, dass die Oberflächenstruktur des Trägerkörpers und die Oberflächenstruktur der Spritzbeschichtung klar abgegrenzt werden können, d.h. die zwei Materialien grenzen unmittelbar an einer Verbindungsfläche aneinander. Dabei findet im Grunde kein Stoffaustausch zwischen den beiden Materialien statt, d.h. eine mögliche Ubergangszone ist nicht
mehr nachweisbar bzw. fehlt gänzlich. Dabei kann die Oberflächenstruktur des Trägerkörpers an der Verbindungsfläche noch eine geringfügige Oberflächenrauheit (Ra) bzw. Oberflächenunebenheit aufweisen (siehe Fig. 4a). Eine solche Oberflächenrauheit stellt keine Übergangszone dar, da das Material eines Trägerkörpers immer noch klar gegen die Spritzbeschichtung abgegrenzt werden kann. Die Rauheit der Oberfläche kann taktil oder optisch gemessen werden. Bei der taktilen Messung wird die Oberfläche mit einem Messtaster zur Rauhheitsmessung im Tastschrittverfahren (Linienrauheit) nach DIN EN ISO 4287 bestimmt.
[0021] Die hier beschriebene Erfindung beseitigt die von den Erfindern festgestellten Nachteile der UÜbergangszone, welche sich zwischen dem Trägerkörper und der Beschichtung beim Hintergießen bildet. Darüber hinaus kommt es zu keiner Verunreinigung der Beschichtung durch gelöstes Trägermaterial. Sowohl durch das Auftreten einer Übergangszone als auch durch mögliche Verunreinigungen werden Materialeigenschaften in der Beschichtung, wie beispielsweise die Leitfähigkeit von Kupfer, stark beeinträchtigt. Wie bereits oben erläutert, bedeutet „keine Übergangszone“, dass das Material der Spritzbeschichtung an der Verbindungsfläche direkt an das Material des Trägerkörpers angrenzt. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit über die Verbindungsfläche ausschließlich durch das Material der Spritzbeschichtung und das Material des Trägerköpers bestimmt, nicht aber negativ durch eine Ubergangszone oder Verunreinigungen in der Beschichtung mit typischerweise niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit beeinträchtigt. Ferner hat die Spritzbeschichtung die Vorteile, dass die Schichtdicke im Vergleich zum Hinterguß-Verfahren niedrig ist, und auch kompliziertere Geometrien für Rotorbauteile in Betracht kommen, die nicht zwangsläufig rotationssymmetrisch sein müssen.
[0022] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spritzbeschichtung eine Kaltgasspritz (CGS: cold gas spraying)-Beschichtung. Wenn die Spritzbeschichtung über Kaltgasspritzen auf den Trägerkörper aufgebracht wurde, ist im Mikroskop zu erkennen, dass die Beschichtung aus einzelnen Partikeln besteht. Die Partikel in einer durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Beschichtung zeigen keine Schmelzphase und sind auch in der abgeschiedenen Beschichtung noch deutlich zu erkennen. Die Partikel erfahren auf Grund der hohen kinetischen Aufprallenergie eine Deformation, so dass die Beschichtung zumindest bereichsweise kaltverformte Cu-Partikel oder Cu-basierte Legierungs-Partikel umfasst. Unter Kaltverformung ist dabei die metallkundliche Definition zu verstehen, nämlich, dass die Partikel beim Auftreffen auf dem Trägerkörper bei Bedingungen (Temperatur / Zeit) verformt werden, die zu keiner Rekristallisation führen. Ein kaltverformtes Gefüge ist durch eine charakteristische Versetzungsstruktur charakterisiert, wie dies jedem Experten geläufig bzw. auch in Fachbüchern im Detail beschrieben ist. Die Versetzungsstruktur kann man beispielsweise durch eine TEM (Transmissionselektronenmikroskopie)-Untersuchung sichtbar machen.
[0023] Die kaltverformten Partikel der Beschichtung sind in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers (in lateraler Richtung) zumindest teilweise gestreckt, wobei das mittlere (Mittelwert aus zumindest 100 gestreckten Körnern) Streckungsverhältnis (grain aspect ratio = GAR; entspricht Länge dividiert durch Breite der Körner) > 1 ist. Das Streckungsverhältnis wird metallographisch durch Bildanalyse über ein Linienschnittverfahren (vgl. ASTM E112-96) bestimmt. Dafür werden zunächst Schliffe angefertigt, welche in ein Einbettmittel, beispielsweise ein Epoxidharz eingebettet werden. Nach einer Aushärtezeit werden die Proben metallographisch präpariert, d.h. es kann später eine Untersuchung über den Querschliff hinweg erfolgen. Die Präparation umfasst die Schritte: Schleifen z.B. mit festgebundenem SiC - Papier mit Körnungen zwischen 220 und 1200; Polieren mit Diamant-Suspension mit 3 um Körnung; finales Polieren mit einer OPS (Oxid-Polier-Suspension) der Körnung 0,04 um; Reinigung der Proben im Ultraschallbad und Trocknung der Proben. Anschließend werden die Querschliffe angeätzt. Uber Rasterelektronenmikroskopie kann das Streckungsverhältnis über das Breiten-Höhen Verhältnis der Partikel bestimmt werden.
[0024] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Spritzbeschichtung nach der Kaltgasspritz-Beschichtung mittels Glühung rekristallisiert oder erholt und weist eine feinkörnige und eher äquiaxiale Mikrostruktur auf, die sich deutlich von einer Beschichtung mittels Hinterguß unterscheidet. Dabei zeigt die Kaltgasspritz-Beschichtung nach einer Glühung eine rekristalli-
sierte Mikrostruktur der Cu-Partikel oder Cu-basierten Legierungs-Partikel mit einer mittleren Korngröße von = 150 um, bevorzugt = 100 um, bevorzugter <= 50 um, besonders bevorzugt zwischen 1 um und 10 um. Die mittlere Korngröße kann einfach über ein Linienschnittverfahren an einer lichtmikroskopischen Aufnahme an einem metallographischen Längsschliff (Umformrichtung und Normalrichtung spannen die Bildebene auf) ausgewertet werden. Dafür wird der Längsschliff mittels Atzung präpariert, um die Korngrenzen sichtbar zu machen. Bei 500facher VergröBerung (Bildausschnitt 240 x 100 um) werden jeweils fünf Linien in äquidistanten Abständen von Bildrand zu Bildrand in das Bild gelegt und die maximale Korngröße in beide Richtungen (Umform- und Normalrichtung) ausgemessen und der Mittelwert ((a+b)/2) genommen. Durch das Rekristallisieren erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Rotorbauteils. Darüber hinaus verbessert sich die Schichthaftung des Kupfers oder der Cu-basierten Legierung an das Trägermaterial.
[0025] Die Schichtdicke der Spritzbeschichtung liegt bevorzugt zwischen 0,025 mm und 5 cm. Insbesondere vorteilhaft liegt die Dicke zwischen 0,1 mm und 4 mm, bevorzugter zwischen 0,5 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm. Die Schicht kann dabei aus einer Schichtlage oder bevorzugt aus einer Vielzahl von Schichtlagen aufgebaut sein. Die Bestimmung der Schichtdicke kann im Rasterelektronenmikroskop erfolgen. Hierbei wird ein metallografischer Schliff senkrecht zur Ebene der Zwischenschicht gelegt und anschließend die Schichtdicke im Rasterelektronenmikroskop bei geeigneter Vergrößerung ausgemessen. Die Bestimmung der Schichtdicke sollte an repräsentativen Stellen des Schliffes durchgeführt werden. Hierbei sind mindestens zehn unterschiedliche, repräsentative Stellen bezüglich ihrer Schichtdicke zu untersuchen und ein Mittelwert zu erstellen, welcher einen Wert für die mittlere Dicke der Beschichtung liefert.
[0026] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Spritzbeschichtung eine elektrische Leitfähigkeit von = 26 MS/m (Megasiemens pro Meter) auf. Bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit = 40 MS/m, bevorzugter = 50 MS/m, besonders bevorzugt = 55 MS/m. Die elektrische Leitfähigkeit wird gemäß DIN EN 16813 (2017) gemessen.
[0027] Das erfindungsgemäße Rotorbauteil zeigt eine gute Haftfestigkeit der Spritzbeschichtung. Dafür wurde die Haftfestigkeit gemäß ASTM C633-13 (2016) gemessen. Die Haftfestigkeit des erfindungsgemäßen Rotorbauteils liegt bei > 10 MPa, vorzugsweise > 20 MPa.
[0028] Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode, welche einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung aufweist, und durch die folgenden Schritte charakterisiert ist:
- Bereitstellen eines Trägerkörpers bestehend aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetallbasierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon,
- Beschichten des Trägerkörpers mittels Spritzbeschichtung unter Einsatz eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials, so dass ein Rotorbauteil mit einer zumindest abschnittsweise stoffschlüssige Verbindung an einer Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung entsteht, wobei die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung besteht, und wobei eine Mikrostruktur des Rotorbauteil keine Ubergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist.
[0029] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils werden die zuvor in Bezug auf das erfindungsgemäße Bauteil erläuterten Vorteile zuverlässig und prozesssicher erreicht. Ferner sind die zuvor erwähnten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung auch für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft.
[0030] Besonders bevorzugt ist, dass die Spritzbeschichtung über Kaltgasspritzen (CGS: cold gas spraying) aufgebracht wird. Dabei werden wie bereits oben beschrieben Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer Energie und geringer thermischer Energie auf einen Trägerkörper aufgebracht. Ein unter hohem Druck stehendes Prozessgas (beispielsweise Luft, Helium (He), Stickstoff (N2), Wasserdampf oder Mischungen daraus) wird mittels einer Konvergent-Divergent-Düse (auch als Überschalldüse bezeichnet) entspannt. Eine typische Düsenform stellt dabei die LavalDüse dar. Je nach verwendetem Prozessgas sind Gasgeschwindigkeiten von beispielsweise 300
bis 1200 m/s (Meter pro Sekunde) (bei N») bzw. bis zu 2500 m/s (bei He) erreichbar. Der Beschichtungsstoff wird dabei beispielsweise vor dem engsten Querschnitt der Konvergent-Divergent-Düse, die einen Teil der Spritzpistole bildet, in den Gasstrom injiziert, typischerweise auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1200 m/s beschleunigt und auf einem Trägerkörper abgeschieden. Ein Aufheizen des Gases vor der Konvergent-Divergent-Düse erhöht bei der Expansion des Gases in der Düse die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Typischerweise kommt beim Kaltgasspritzen gemäß der Erfindung eine Gastemperatur von Raumtemperatur (RT), insbesondere 20°C, bis 1000°C zur Anwendung. Durch Kaltgasspritzen lassen sich insbesondere duktile Werkstoffe mit kubisch flächenzentriertem und hexagonal dichtest gepacktem Gitter zu dichten, gut haftenden Schichten verspritzen. In der Regel wird Kaltgasspritzen für die Aufbringung einer metallischen Schicht auf einen metallischen Trägerkörper verwendet. Beim Kaltgasspritzen erfolgt der Schichtaufbau lagenweise aus den einzelnen Partikeln des Beschichtungsstoffs. Für die Qualität einer Kaltgasspritz-Schicht sind die Adhäsion des Beschichtungsstoffs zum Trägerkörper und die Kohäsion zwischen den Partikeln des Beschichtungsstoffs entscheidend. Grundsätzlich ist die Haftung, sowohl im Bereich der Verbindungsfläche Beschichtungsstoff / Trägerkörper, als auch zwischen den Partikeln des Beschichtungsstoffs, ein Zusammenspiel mehrerer physikalischer und chemischer Haftmechanismen. Auf Grund der geringen Prozesstemperatur wird beim Kaltgasspritzen das Pulver nicht aufgeschmolzen, sondern trifft im nicht geschmolzenen Zustand auf den zu beschichtende Trägerkörper auf, wodurch sich in Folge eine Schicht aufbaut. Durch die hohe kinetische Energie, auf Grund der hohen Geschwindigkeit der im Gasstrom bewegten Pulver, kommt es beim Auftreffen der Pulver an der Oberfläche des Trägerkörpers zu einer mechanischen Verklammerung, wobei die Verklammerung durch die Prozesstemperatur unterstützt wird. Derartig über Kaltgasspritzen hergestellte Schichten sind im Mikroskop daran zu erkennen, dass die Schicht aus einzelnen Partikeln besteht, die eine „pancake“-Form aufweisen (d.h. eine Struktur, bei der die Längen und Breiten der einzelnen Körner im Vergleich zu ihren Dicken groß ist). Die Partikel erfahren auf Grund der hohen kinetischen Aufprallenergie eine Deformation und zeigen ein Streckungsverhältnis größer 1.
[0031] Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung erfolgt das Kaltgasspritzen bei einem Druck zwischen 10 und 100 bar, bevorzugt zwischen 20 bis 80 bar, besonders bevorzugt zwischen 30 bis 60 bar, bei einer Gastemperatur zwischen Raumtemperatur (RT) und 1000°C (Raumtemperatur liegt insbesondere bei 20°C). Bevorzugt liegt die Gastemperatur zwischen 300 bis 1000°C, besonders bevorzugt zwischen 400 bis 800°C.
[0032] Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgesehen das Rotorbauteil nach dem Schritt des Beschichtens im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre zu glühen. Durch diesen Verfahrensschritt wird die elektrische Leifähigkeit der Beschichtung verbessert, sowie Eigenspannungen der Beschichtung gesenkt. Vorzugsweise wird das Rotorbauteil bei 400 bis 750°C für bis 5h geglüht. Weiter bevorzugt ist eine Glühung bei 500 bis 600°C für 0,5 bis 3h.
[0033] Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Trägerkörper vor dem Schritt des Beschichtens oberflächenbehandelt wird. Dabei kann eine chemische oder physikalische Oberflächenbehandlung erfolgen. Dies kann eine Oberflächenbehandlung mit Alkohol, eine Abstrahlung usw. sein. Bevorzugt wird eine Oberflächenbehandlung mittels Pulverstrahl. Damit wird eine bessere Haftung der Kaltgasspritz-Beschichtung an den Trägerkörper ermöglicht.
[0034] Durch das erfindungsgemäße Verfahren, sowie seine bevorzugten Ausführungsformen, werden unter anderem folgende positive Effekte erzielt: - verbesserte Leitfähigkeit der Spritzbeschichtung des Rotorbauteils; - Senkung der Schichteigenspannung und verbesserte Haftung der Spritzbeschichtung; - keine Übergangszone zwischen dem Trägerkörper und der Spritzbeschichtung, was zu einer verbesserten Leitfähigkeit über die Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung führt.
[0035] Der Beschichtungsstoff ist aus Partikeln gebildet. Eine Vielzahl von Partikeln wird als Pulver bezeichnet. Eine Vielzahl von Pulverpartikeln können durch Granulation in ein Pulvergranulat übergeführt werden. Die Größe der Pulverpartikel bzw. Pulvergranulatpartikel wird als Partikelgröße bezeichnet und wird üblicherweise mittels Laser-Diffraktometrie gemessen. Die Messergebnisse werden als Verteilungskurve angegeben. Der dso-Wert gibt dabei die mittlere Partikelgröße an. Dso bedeutet, dass 50 Vol.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Im Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Partikel eine Partikelgröße dso von = 5 um und <= 150 um aufweisen. Der dso Wert wird dabei mittels Laserdiffraktometrie unter Anwendung der Norm (ISO 13320-2009) gemessen. Weitere vorteilhafte Bereiche sind 10 um <= dso = 100 um oder 15 um <= dso = 80 Um.
[0036] Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung kann die Spritzbeschichtung in mehreren Lagen des pulverförmigen Cu oder mehreren Lagen der pulverförmigen Cubasierten Legierung aufbracht werden. Die Enddicke der Beschichtung liegt zwischen 25 um und 5 cm. Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgt dabei durch übliche metallographische Verfahren.
[0037] Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
[0038] Von den Figuren zeigen:
[0039] Fig. 1: schematische Darstellung eines Übersichtsbilds einer Röntgenröhre mit einer Röntgendrehanoden im Längsschnitt gemäß dem Stand der Technik;
[0040] Fig. 2: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer bei Probe Nr. 1 (100-fache Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik;
[0041] Fig. 3: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (100-fache VergröBerung);
[0042] Fig. 4a: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (500-fache VergröBerung);
[0043] Fig. 4b: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer bei Probe Nr. 1 (500-fache Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik;
[0044] Fig. 4c: Linien-Scan („line-scan“) der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer auf der Grundlage von Fig. 4b;
[0045] Fig. 5: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (100-fache Vergrößerung) vor dem Glühschritt;
[0046] Fig. 6: Lichtmikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (200-fache Vergrößerung) vor dem Glühschritt nach AnätZUung;
[0047] Fig. 7: Lichtmikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (200-fache Vergrößerung) nach dem Glühschritt und nach Anätzung;
[0048] Fig. 8: Lichtmikroskopische Aufnahme der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 nach Glühschritt und Anätzung (50-fache Vergrößerung);
[0049] Fig. 9: Lichtmikroskopische Aufnahme der Kupferbeschichtung bei Probe Nr. 1 (50fache Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik nach Anätzung;
[0050] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt einer Röntgenröhre mit einem Rotor und einer Röntgendrehanode wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Eine Röntgenröhre besteht in der Regel aus
einem Glaskolben (5) mit einem Vakuum-Innenraum (4). In dem Glaskolben befindet sich eine Kathode (3) mit einer Heizwendel (6) welche Elektronen (7) emittiert. Gegenüber der Kathode (3) liegt die Röntgendrehanode (2), die einen Anodenteller (11) umfasst, der durch eine Welle (12) mit dem Rotor (1) eines Elektromotors verbunden ist. Zum Antrieb des Rotors ist außerhalb des Glaskolbens (5) ein Stator (9, 10) angeordnet. Der Stator (9,10) erzeugt beim Anschluss an Strom ein um den Glaskolben (5) rotierendes Magnetfeld, das auf den Rotor (1) ein Drehmoment ausübt und somit die Röntgendrehanode (2) in eine Drehung versetzt. Der Rotor (1) sowie die Röntgendrehanode (2) befinden sich im Hochvakuum (4) in einem Glaskolben (5). Die von der Kathode (3) emittieren Elektronen (7) werden auf den Anodenteller hin beschleunigt und erzeugen beim Auftreffen auf den Anodenteller durch Abbremsung Röntgenstrahlen (8), welche durch ein Strahlenfenster im Glaskolben die Röntgenröhre verlassen.
BEISPIELE:
[0051] Probe Nr. 1 wurde gemäß dem Stand der Technik nach dem Hintergußverfahren hergestellt. Dafür wurde ein Stahlrohr mit einer Zusammensetzung von 0,08-0,15 Gew.% C, 1,00 Gew.% Si, 1,50 Gew.% Mn, 0,040 Gew.% P, 0,030 Gew.% S, 11,5 bis 13,5 Gew.% Cr, Rest Fe und übliche Verunreinigungen mit einer Länge von 103 mm, einem Außendurchmesser von 62 mm und einem Innendurchmesser von 44 mm zur Verfügung gestellt. Diese Stahlrohr wurde in eine Graphitform eingesetzt und anschließend mit einer Kupferschmelze (mit mindestens 99,95 Gew.% Cu, Rest übliche Verunreinigungen, in Summe max. 0,05 Gew.%) hintergossen. Das Stahlrohr wurde anschließend abgedreht, so dass die Kupfer-Beschichtung (auf der Außen-Mantelfläche des Stahlrohres) eine Dicke von 2 mm aufwies.
[0052] Für die erfindungsgemäße Probe Nr. 2 wurde Cu-Pulver bereitgestellt mit 99,95 Atom% Cu sowie 28 ug/g C, <10 ug/g Fe, 4 ug/g H, < 5ug/g N und 201 ug/g O. Die mittlere Partikelgröße dso betrug 26,53 um. Ein Stahlbauteil mit einer Zusammensetzung von 0,20-0,22 Gew.% C, 0,55 Gew.% Si, 1,60 Gew.% Mn, 0,025 Gew.% P, 0,025 Gew.% S, 0,55 Gew.% Cu, Rest Fe und übliche Verunreinigungen mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 7 mm wurden zur Verfügung gestellt und die Oberfläche vorgereinigt. Danach wurde das Stahlbauteil mittels Kaltgasspritz- Verfahren mit dem Cu-Pulver beschichtet. Folgende Kaltgasspritz-Prozessparameter kamen zur Anwendung: Druck 32 bar, Gastemperatur 400°C, Prozessgas N». Nach der Beschichtung wurde die Probe bei 550°C für 1h im Hochvakuum geglüht. Die Beschichtung wurde auf 1 mm abgedreht, so dass die Gesamtstärke der Probe 8 mm betrug.
[0053] Dann wurde die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung gemäß DIN EN 16813 (2017) gemessen. Probe Nr. 1 wies eine Leitfähigkeit von 24 MS/m auf. Die elektrische Leitfähigkeit der Probe Nr. 2 betrug 56 MS/m. In reinem Kupfer ist die elektrische Leitfähigkeit 58 MS/m (gemäß IACS). Folglich weist das Kaltgasspritz-beschichtete Stahlbauteil eine fast doppelt so hohe Leitfähigkeit wie das durch Hinterguß hergestellte Stahlbauteil auf. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Probe annähernd die elektrische Leitfähigkeit von reinem Kupfer auf.
[0054] Zusätzlich wurde getestet, wie gut die Haftfestigkeit des Kupferspritzbeschichtung am Stahlbauteil von Probe Nr. 2 ist. Diese Tests wurden gemäß ASTM C633-13 (2013) durchgeführt. Dabei ergaben sich gute Schichthaftungswerte mit einer Haftfestigkeit > 16 MPa.
[0055] Zur Analyse der Grenzfläche und der aufgebrachten Beschichtung wurden Schliffe erstellt, deren Bildfläche im 90 °-Winkel zur Beschichtungsebene liegen und somit die beiden Grundmaterialen und deren Grenzfläche abbilden. Diese polierten Schliffe wurden zum einen im Rasterelektronenmikroskop mit 100-facher und 500-facher Vergrößerung untersucht und Bildaufnahmen gemacht. Zum anderen wurden auch lichtmikroskopische Aufnahmen der Schliffe angefertigt, bei denen die Schliffe vorher angeätzt wurden, um die Kornstruktur der Spritzbeschichtung zu zeigen.
[0056] Die Figur 2 zeigt den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu-Hinterguß auf Stahl) gemäß Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 100x. Man erkennt in Figur 2 den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, und die Kupferbeschichtung
(C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Anbindung der Kupferbeschichtung and den Stahl ist vollflächig über eine UÜbergangszone (B) vollzogen und man sieht deutlich das Anlösen der Stahloberfläche durch das Hintergießen mit Kupfer. Die Ubergangszone (B) zeigt eine ungefähre Dicke von ca. 50 um. Deutlich zu erkennen ist, dass die Kupferbeschichtung in die Oberfläche des Stahls eingedrungen ist, sowie auch Stahlanteile in der Kupferbeschichtung vorliegen, d.h. beide Materialien diffundieren ineinander und es liegen keine homogenen Materialeigenschaften in der Ubergangszone vor.
[0057] Figur 3 zeigt den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) mit einer Vergrößerung von 100x. Man erkennt in Figur 3 den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, und die Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Anbindung der Kupferbeschichtung an den Stahl ist vollflächig vollzogen und es ist keine Durchmischung der Materialen zu erkennen, d.h. eine Übergangszone liegt nicht vor.
[0058] Die Figur 4a ist eine vergrößerte Aufnahme der Figur 3 und zeigt ebenfalls den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) mit einer Vergrößerung von 500x. Man erkennt in Figur 4a den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, sowie der Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Oberfläche des Stahls ist gut zu erkennen und weist Unebenheiten auf. Diese Unebenheiten können entweder durch die Oberflächenbehandlung des Stahls vor dem Kaltgasspritzen als auch durch den Aufprall mit dem das Kupfer auf die Stahloberfläche auftrifft entstanden sein. In der gezeigten Figur betragen die Oberflächenunebenheiten maximal 10um. Jedoch sieht man deutlich, dass die Stahloberfläche nicht angelöst wurde und keine Vermischung der Materialien stattgefunden hat. Es ist eine klare Abgrenzung zwischen dem Stahlkörper (A) und der Kupferbeschichtung (C) zu erkennen.
[0059] Die Figur 4b ist eine vergrößerte Aufnahme der Figur 2 und zeigt ebenfalls den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu-Hinterguß auf Stahl) gemäß dem Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 500x. Man erkennt in Figur 450 den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der rechten Hälfte der Abbildung, sowie die Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der linken Hälfte der Abbildung. Deutlich ist die Ubergangszone (B) zu erkennen. Das Kupfer ist teilweise tief in die Stahloberfläche eingedrungen. Die Stahloberfläche weist deutliche Anschmelzungen auf, so dass Anteile von Stahl in der Kupferschicht vorliegen.
[0060] Die Figur 4c zeigt einen Linien-Scan („line-scan“) der Übergangszone von Kupfer zu Stahl auf Grundlage der Figur 4b. Hierzu werden entlang einer Linie die Elementkonzentrationen der Elemente Chrom, Eisen und Kupfer ausgehend von der Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in Richtung des Stahlkörpers (A, dunkler Bereich) vermessen. Die Peak-Intensitäten nach Anregung mit der zur Auswertung herangezogen Cu K(alpha)-Linie wird bei diesem Verfahren iterativ in Bezug auf die Atomzahl, die Absorption und die Fluoreszenz korrigiert und liefert somit die Möglichkeit einer standardfreien quantitativen Berechnung der Elementzusammensetzung (in Atom%). Es ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich der Ubergangszone (B) hohe Mengen an Eisen in der Kupferbeschichtung vorliegen, sowie hohe Mengen an Kupfer tief in die Oberfläche des Stahlkörper eingedrungen sind. Deutlich zu erkennen ist der hohe Cu-Anteil im Bereich der Cu-Schicht (C) vor der Übergangszone (B) sowie der hohe Fe-Anteil im Stahlkörper (A) nach der der Übergangszone (B). Im Bereich der Cu-Schicht (C) sind darüber hinaus höherer Fe-Anteile erkennbar (insbesondere im Vergleich zu den Cu-Anteilen im Stahlkörper (A)). Dies zeigt, dass Fe auch über die Übergangszone hinaus in die Cu-Beschichtung (C) eindringen kann. Ebenfalls ist zu erkennen, dass der Stahlkörper auch einen Anteil an Chrom aufweist.
[0061] Figur 5 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) vor dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 100x. Die Kupferbeschichtung zeigt eine
homogene Schicht mit einer Dichte von = 97% (97-98,66%) der theoretischen Dichte von Kupfer. Einzelne Schichtlagen sind nicht erkennbar.
[0062] Figur 6 zeigt die Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) vor dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 200x. Durch eine Anätzung der Cu-Partikel wurden die Korngrenzen hervorgehoben, so dass die Gefügestruktur deutlich sichtbar ist. Zu erkennen ist die gestreckte Form der Cu-Partikel sowie die vielen Schichtlagen. Diese Beschichtung unterscheidet sich deutlich von einer Cu-Beschichtung mittels Hinterguß (siehe Fig. 9).
[0063] Figur 7 zeigt die Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) nach dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 200x. Durch eine Anätzung der Cu-Partikel wurden die Korngrenzen hervorgehoben, so dass die Gefügestruktur deutlich sichtbar ist. Zu erkennen ist die feinkörnige und äquiaxiale Mikrostruktur der Beschichtung.
[0064] Figur 8 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) nach dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 50x. Diese niedrige Vergrößerung wurde gewählt, um einen direkten Vergleich mit der Korngröße im Hintergußverfahren zu haben. Nach Anätzung der Cu-Partikel ist eine feinkörnige und gleichmäßige Mikrostruktur der Kupferbeschichtung (C) ist zu erkennen. Der Stahlkörper (A, dunkler Bereich) ist ebenfalls zu erkennen.
[0065] Figur 9 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu-Hinterguß auf Stahl) gemäß Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 50x. Nach Anätzung der Cu-Partikel ist deutlich zu erkennen, dass sich beim Hintergießen eine großkörnige Struktur der Kupferbeschichtung ausbildet.

Claims (15)

Ansprüche
1. Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode aufweisend einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung, wobei der Trägerkörper aus einem der folgenden Materialien, bestehend aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetall-basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon, hergestellt ist, und die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cubasierten Legierung besteht, wobei der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise an einer Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukur des Rotorbauteils keine Ubergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist.
2. Rotorbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeschichtung eine Kaltgasspritz-Beschichtung ist.
3. Rotorbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasspritz-Beschichtung zumindest bereichsweise kaltverformte Cu-Partikel oder Cu-basierte Legierungs-Partikel umfasst, welche parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers zumindest teilweise gestreckt sind, und ein Streckungsverhältnis von > 1 aufweisen.
4. Rotorbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltgasspritz-Beschichtung nach einer Glühung eine rekristallisierte Mikrostruktur der Cu-Partikel oder Cu-basierten Legierungs-Partikel mit einer mittleren Korngröße von <= 150 um aufweist.
5. Rotorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Cu-Spritzbeschichtung oder der Cu-basierten Legierungs-Spritzbeschichtung =1000 ug/g Sauerstoff, <500 ug/g Eisen und <=200 ug/g Stickstoff aufweist.
6. Rotorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 25 um und 5 cm aufweist.
7. Rotorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeschichtung des Rotorbauteil in der Beschichtung eine elektrische Leitfähigkeit von =26 MS/m aufweist.
8. Rotorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeschichtung eine Dichte von = 90% einer theoretischen Dichte des Cu bzw. der Cu-basierten Legierung aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode aufweisend einen
Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung, charakterisiert durch die folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Trägerkörpers bestehend aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetallbasierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon,
- Beschichten des Trägerkörpers mittels Spritzbeschichtung unter Einsatz eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials, so dass ein Rotorbauteil mit einer zumindest abschnittsweise stoffschlüssigen Verbindung an einer Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung entsteht, wobei die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung besteht, und wobei eine Mikrostruktur des Rotorbauteil keine Ubergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzbeschichtung mittels Kaltgasspritzen aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltgasspritzen bei einem Druck von 10 bis 100 bar und bei einer Gastemperatur von RT bis 1000°C erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorbauteil nach dem Schritt des Beschichtens im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre geglüht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorbauteil nach dem Schritt des Beschichtens bei 400 bis 750°C für bis zu 5h geglüht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkörper vor dem Schritt des Beschichtens oberflächenbehandelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Beschichtungsmaterial aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung eine Pulver-Partikelgröße zwischen 5 und 150 um aufweist.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
ATGM50064/2022U 2022-04-06 2022-04-06 Rotorbauteil für eine röntgendrehanode AT17963U1 (de)

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