EP4107771A1 - RÖNTGENDREHANODE MIT INTEGRIERTER FLÜSSIGMETALLLAGER-AUßENSCHALE - Google Patents

RÖNTGENDREHANODE MIT INTEGRIERTER FLÜSSIGMETALLLAGER-AUßENSCHALE

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EP4107771A1
EP4107771A1 EP21706474.0A EP21706474A EP4107771A1 EP 4107771 A1 EP4107771 A1 EP 4107771A1 EP 21706474 A EP21706474 A EP 21706474A EP 4107771 A1 EP4107771 A1 EP 4107771A1
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EP
European Patent Office
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liquid metal
metal bearing
anode
anode disk
outer shell
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EP21706474.0A
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EP4107771C0 (de
EP4107771B1 (de
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Andreas WUCHERPFENNIG
Nico Eberhardt
Hannes LORENZ
Jürgen SCHATTE
Christian BIENERT
Thomas Schwarz
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Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
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Publication date
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Publication of EP4107771B1 publication Critical patent/EP4107771B1/de
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    • H01J35/04—Electrodes ; Mutual position thereof; Constructional adaptations therefor
    • H01J35/08—Anodes; Anti cathodes
    • H01J35/10—Rotary anodes; Arrangements for rotating anodes; Cooling rotary anodes
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    • H01J35/1017—Bearings for rotating anodes
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    • H01J2235/1046—Bearings and bearing contact surfaces
    • H01J2235/106—Dynamic pressure bearings, e.g. helical groove type

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray rotating anode with an integrated liquid metal bearing outer shell according to the preamble of claim 1, an X-ray rotating anode system comprising an X-ray rotating anode with an integrated liquid metal bearing outer shell and a liquid metal bearing inner shell inserted therein, and also a manufacturing method of such an X-ray rotating anode.
  • X-ray rotating anodes are used in X-ray tubes to generate X-rays.
  • electrons are emitted from a cathode of the X-ray tube and accelerated in the form of a focused electron beam onto the rotating X-ray anode. Due to the rotational movement of the X-ray anode, an annular path - the focal path - is scanned by the electron beam. A large part of the energy of the electron beam is converted into heat in the X-ray rotating anode, while a small proportion is emitted as X-rays. The locally released amounts of heat lead to strong heating of the X-ray rotary anode. The rotation of the X-ray rotating anode counteracts overheating of the anode material.
  • a high radiation output (or dose rate) is required, which can be generated by using a correspondingly high-energy and strongly focused electron beam.
  • X-ray rotating anodes In order to avoid material fatigue due to high temperatures and temperature gradients, X-ray rotating anodes must be designed for high rotational frequencies and for effective and uniform heat dissipation. With regard to these requirements, the use of a liquid metal bearing for mounting the X-ray rotary anode is advantageous.
  • the object of the present invention is to improve X-ray rotating anodes with regard to good storage at high rotational frequencies and uniform and effective heat dissipation. Furthermore, a cost-effective and process-stable production of the X-ray rotary anode is to be made possible.
  • an X-ray rotary anode with an integrated liquid metal bearing outer shell has an anode disk made of Mo (Mo: molybdenum) or a Mo-based alloy with a hole formed centrally in the area of the axis of rotation and extending in the axial direction through at least part of the anode disk and a bearing bush made of Mo or a Mo-based alloy.
  • the inner wall of the bearing bush is at least over an axial section of the same circumferentially (ie in the circumferential direction based on the axis of rotation) designed as a liquid metal bearing running surface and forms a first section of the liquid metal bearing outer shell.
  • the entire (typically cylindrical) inner wall of the bearing bush can be designed as a liquid metal bearing running surface.
  • only an axial section of the inner wall of the bearing bush, which is then also typically cylindrical, can be designed as a liquid metal bearing running surface, while a further axial section, for example, also includes mechanical limiting elements and / or a coating through which liquid metal is used in use Liquid metal bearing is retained, may have.
  • the liquid metal bearing outer shell is formed by the first and an adjoining second partial section and has a continuous liquid metal bearing running surface. The bearing bush is in such a way a cohesive one Connection connected to the anode disk that the inner wall of the bearing sleeve continues the hole of the anode disk.
  • At least one axial section of an inner wall of the hole of the anode disk is designed as a liquid metal bearing running surface circumferentially (ie in the circumferential direction with respect to the axis of rotation) and forms at least part of the second section of the liquid metal bearing outer shell.
  • the entire (typically cylindrical) inner wall of the hole can again be designed circumferentially as a liquid metal bearing running surface.
  • the bottom of the hole can optionally also form a liquid metal bearing running surface.
  • only an axial section of the inner wall of the hole, which is then also typically cylindrical, can be designed circumferentially as a liquid metal bearing running surface.
  • a defined bearing gap is formed between a liquid metal bearing outer shell and a liquid metal bearing inner shell, which are matched to one another and of which one is formed on a stationary component and one on a rotating component.
  • the liquid metal bearing outer shell is designed integrally with the X-ray rotating anode and thus as a rotating component.
  • the liquid metal bearing inner shell can, for example, be formed integrally on a pin (stationary component) introduced into the liquid metal bearing outer shell.
  • the bearing gap is filled with liquid metal (eg gallium, a gallium alloy such as a eutectic gallium-indium-tin alloy, etc.).
  • the gap width is typically from a few micrometers up to 500 ⁇ m (at least ⁇ 1 mm); in particular from 5-500 ⁇ m, preferably from 7-40 ⁇ m, the gap width also being able to vary over the length of the bearing gap.
  • at least one circumferential recess and / or step or rib can also be provided in the liquid metal bearing outer shell and / or inner shell, in the area of which the gap width can also differ from the rest of the bearing gap (see e.g. DE 102015215306 A1).
  • at least one circumferential rib on the one component with (at least) one correspondingly formed channel on the other component for fixing the two components relative to one another in the axial direction can be provided.
  • Used as liquid metal bearing treads denotes the sections of the liquid metal bearing outer shell and the liquid metal bearing inner shell, which are wetted with liquid metal in use both on the liquid metal bearing outer shell and on the liquid metal bearing inner shell and thus enable low-friction rotation.
  • the liquid metal prevents direct contact between the liquid metal bearing outer shell and the liquid metal bearing inner shell and at the same time acts as a lubricant, whereby excellent running properties are achieved.
  • the liquid metal bearing outer shell is provided with a rotor or is (mechanically) coupled to it, which is set in rotation in a known manner in cooperation with a stator.
  • liquid metal bearing to support the X-ray rotary anode is advantageous, since liquid metal bearings are designed for a high load and for high rotational frequencies and at the same time have a high level of operational reliability and a long service life.
  • One advantage (for example compared to a ball bearing) is that the increased pressure of the liquid metal located in the bearing gap is formed over a larger surface section (especially in the axial extension) and thus the mechanical stability is increased.
  • rotational frequencies of up to 300 Hz (Hertz) are possible with liquid metal bearings, while ball bearings, for example, are usually designed for rotational frequencies well below 200 Hz (eg 140 Hz).
  • liquid metal bearings are low-noise compared to ball bearings and enable effective and large-area heat dissipation due to the enlarged contact surface (via the bearing gap filled with liquid metal).
  • the heat can be effectively dissipated to the stationary component (eg to a pin inserted on the inside of the liquid metal bearing outer shell).
  • the heat can then be effectively removed from the stationary component via internal cooling (by means of a coolant guided in at least one cooling channel), so that the thermal management is very effective and therefore suitable for the high-performance area.
  • Ball bearings are not designed for effective heat dissipation via the bearing due to the heat-sensitive coatings used, as this would damage the respective coating.
  • Mo or Mo-based alloys are particularly advantageous as material for the anode disk and for the bearing bush, since they have a high level of strength (even at the high operating temperatures) and enable good heat dissipation. Furthermore, Mo or Mo-based alloys have good wettability for the liquid metals typically used. Accordingly, it is also advantageous that the inner wall of the bearing bushing as well as the inner wall of the hole in the anode disk are designed as a liquid metal bearing running surface, since the base material already provides good wettability. Optionally, a coating (typically less than 10 ⁇ m thick) can be provided on the inner wall of the bearing bush and / or on the inner wall of the hole - in each case completely or only in sections.
  • a Mo-based alloy is understood to mean an alloy which contains> 50% by weight of Mo. In particular, it contains> 80% by weight, even more preferably> 98% by weight, Mo, which is particularly advantageous in view of the properties of Mo mentioned above.
  • the anode disk and the bearing sleeve do not have to be made entirely of Mo or a Mo-based alloy, but rather the base material is referred to here in particular. In particular, they can have a coating (e.g. a blackening layer to increase the radiated heat output), add-on parts, such as a C-based body attached to the anode disk as a heat storage device (e.g.
  • the “focal path” is the section of the anode disk that runs in a ring around the axis of rotation and that is scanned by the electron beam during use.
  • a focal path coating is applied to the anode disk in the area of the focal path (with a certain radial extent).
  • the focal path coating is formed in particular by W or a W-Re alloy with a Re content of 1-15% by weight, in particular 5-10% by weight (W: tungsten; Re: rhenium).
  • the anode disk typically has an angled focal path surface, which preferably forms a circumferential truncated cone jacket surface.
  • the focal path surface is angled relative to a reference plane extending perpendicular to the axis of rotation, whereby the exit of the generated X-ray radiation is made possible through a laterally located exit window of the respective X-ray device.
  • it forms a focal path angle in the range of 2 ° -16.25 °, in particular 7 ° -13 ° relative to this reference plane.
  • the “axis of rotation” referred to is given by the rotationally symmetrical basic shape of the X-ray rotating anode and the liquid metal bearing outer shell.
  • the axis of rotation simultaneously specifies the “axial direction” (running parallel to this) and the “radial direction” (running perpendicular to this).
  • a “reference plane” of the X-ray rotating anode (which typically forms its main plane of extent at the same time) extends in particular perpendicular to the axis of rotation. It should be noted that the X-ray rotating anode does not have to be designed to be rotationally symmetrical in every detail, so that, for example, slots formed in the circumferential direction, periodically arranged projections, depressions, attachments, etc., can break through an exact rotational symmetry.
  • a bearing bush is a component with a (through) hole, the inner wall of which is at least partially designed as a liquid metal bearing running surface, wherein the bearing bush can have different (especially outside) contours and attachments.
  • the bearing bush (and correspondingly the mechanical mounting of the X-ray anode) is arranged on the opposite side of the anode disk from the focal path.
  • the Bearing bush (and correspondingly the mechanical holder of the X-ray rotary anode) can also be arranged on the side of the anode disk on which the focal path is provided.
  • the first section of the liquid metal bearing outer shell is monolithic with the bearing bush and at least part of the second section of the liquid metal bearing outer shell is monolithic with the anode disk.
  • “Monolithic” means that the component in question is manufactured in one piece as part of the metallurgical production (preferably powder metallurgy or alternatively melt metallurgy), with subsequent mechanical processing, for example to make the hole and / or surface structuring, and / or a subsequent application of at least one layer is possible.
  • a monolithic design can be recognized by the person skilled in the art on the basis of a uniform and continuous microstructure (the base material made of Mo or a Mo-based alloy).
  • a powder-metallurgical production of the anode disk and / or the bearing bushing is preferred, this comprising the steps of pressing and sintering corresponding starting powders and preferably a subsequent reshaping (e.g. rolling, forging, extrusion, etc.) of the molded body obtained.
  • Powder metallurgical production leads to a typical microstructure recognizable to the person skilled in the art, which can be clearly distinguished from a melt structure (obtained in the context of melt metallurgical production), for example.
  • the inner wall of the bearing bush is made from the base material (Mo or Mo-based alloy) of the bearing bush, at least in the area of the liquid metal bearing running surface, and the inner wall of the hole in the anode disk is made of at least in the area of the liquid metal bearing running surface the base material (Mo or Mo-based alloy) of the anode disk.
  • a coating typically less than 10 ⁇ m thick
  • a surface structuring can also be provided on the inner wall of the bearing bush and / or on the inner wall of the hole in the anode disk.
  • a material connection is understood to mean that a continuous material composite is created, but not that only a mechanical one Attachment (e.g. via a screw or clamp connection, via mechanical fastening elements, etc.).
  • the stoffschlüssi ge connection of the bearing bush and the anode disk is made by welding, soldering or diffusion bonding (diffusion connection). If the connection zone is examined microscopically in the section, a welded connection is to be determined by the expert through a corresponding welding zone (melted or at least plasticized base material), a soldered connection through a corresponding soldering zone (melt structure of the solder) and a diffusion connection through a corresponding diffusion zone (diffusion area of the interconnected basic materials).
  • liquid metal bearing outer shell is recognizable to the expert on the basis of the shape, in particular based on the liquid metal bearing running surface formed on the inside rotationally symmetrical to the axis of rotation and the inner contour, which enables the introduction of a pin (or other component) with a corresponding liquid metal bearing inner shell. Furthermore, no tread for a ball bearing is provided on the inner contour (even if the liquid metal bearing tread can basically be stepped and / or be provided with a rib or a recess).
  • a surface structuring, a coating and / or mechanical delimitation elements for retaining the liquid metal in the area of the liquid metal bearing are provided in the area of the end sections of the liquid metal bearing outer shell and / or a liquid metal bearing inner shell.
  • the material connection is a connection produced via diffusion bonding, a friction weld connection or a beam weld connection (with a laser or electron beam).
  • the advantage of the connection techniques mentioned is that a material connection with high strength can be achieved with them, even at the high operating temperatures.
  • an additional material such as solder, welding filler material, etc.
  • solder, welding filler material, etc. which can form a disruptive contamination (e.g. of the liquid metal) in the area of the liquid metal store, can be critical for vacuum stability (use takes place in a high vacuum) and / or a lower melting point (compared to the base material the connected components) can be dispensed with.
  • This is particularly advantageous compared to a soldered connection in which the solder typically has a lower melting point and - at least at high temperatures - has a lower strength than the base material (of the connected components).
  • diffusion bonding the (typically appropriately prepared) surfaces of the components to be connected are joined together and the application of pressure and temperature causes diffusion of the atoms in the area of the connection zone, resulting in a bonded connection (diffusion connection).
  • diffusion connection there is no melting of the base material of the components to be connected in the area of the connection zone.
  • a diffusion connection can be recognized by a person skilled in the art by microscopic examination of the connection zone in the micrograph using a corresponding diffusion zone (diffusion area of the basic materials connected to one another) in which no melt structure occurs.
  • the diffusion connection may not be visible in the microscopic micrograph, since a uniform structure that is continuous with the respective base material can be achieved in the area of the connection zone.
  • the existence of a diffusion connection can only be deduced from the outer geometry of the connected components (in this case: anode disk and bearing bush), for example because they could not be produced in one piece (e.g. powder metallurgy) in the respective overall form.
  • a beam welded connection can be recognized by a specialist on the basis of a microscopic examination of the connection zone in the micrograph based on the welding zone in which a corresponding melt structure (of the base materials and, if necessary, an additional welding filler material) occurs, as well as at the root and the location of the melt zone .
  • a beam welding connection (in particular by means of electron beam welding) is advantageous due to the small heat-affected zone. Furthermore, the beam welding process is better suited for Mo-based alloys than for pure molybdenum.
  • friction welding a component is moved (eg rotated) relative to and in contact with the other component to be joined in order to generate heat at the joint surfaces.
  • the weld is completed by applying a force during or after the removal of the relative movement (eg rotational movement), whereby there are several forms of energy supply and relative movement.
  • a force during or after the removal of the relative movement (eg rotational movement), whereby there are several forms of energy supply and relative movement.
  • Friction welding which also enables the connection of components with thicker walls (in particular 20-130 mm), only requires a comparatively low joining temperature in the joint cross-section and is therefore suitable in many cases for materials and material combinations that are otherwise difficult to weld (cf. . also DIN EN ISO 15620).
  • a friction-welded connection can be recognized by a person skilled in the art from a microscopic examination of the connection zone in the micrograph based on a typical microstructure. In particular, no melt structure can be seen, since the base material is only put into a plasticized state during friction welding.
  • the welding zone is typically comparatively narrow and has a fine-grain structure.
  • the grains are stretched in the direction of the material flow, which takes place in particular when the weld bead is formed. Zones of different grain stretching (with high grain stretching close to the bearing bush and lower grain stretching near the anode disk) occur in particular when the bearing bushing has a high grain stretching and the anode disk has a lower grain stretching, which is imprinted on these components by their respective manufacturing process. Macroscopically, it also indicates a friction-welded connection when a on the anode disk projecting connection piece is used to enable the formation of a weld bead during friction welding (due to the flow of material during the upsetting phase). This can be seen in particular from a weld zone spaced apart from the anode disk between the connection piece and the bearing bush.
  • the Mo-based alloy (s) (of the anode disk and / or the bearing bush) is / are MHC and / or TZM.
  • the base material of the bearing bush i.e. apart from coatings, add-on components, etc.
  • the base material of the anode disk i.e. apart from coatings, attachments, etc.
  • the base material of the anode disk is made of MHC and / or TZM (preferably only MHC or only TZM). Both alloys (MHC, TZM) have high strength and hardness.
  • MHC has mechanical properties largely retained at high temperatures, which means that higher process temperatures during manufacture and higher operating temperatures for the X-ray rotary anode are possible. This is especially true for MHC for temperatures up to 1250 ° C and for TZM up to 1100 ° C. MHC is therefore particularly well suited for the high-performance area and for high operating temperatures.
  • MHC is a Mo-based alloy offered by the applicant Plansee SE, which has the following composition:
  • TZM is a Mo-based alloy specified in the ASTM B387 (364) standard and offered by the applicant Plansee SE, which has the following composition for the present application:
  • any impurities that may be present is typically not specified for all elements, but in particular for those that are typically included and / or for which too high a content would be critical for the advantageous properties of the alloy.
  • the following permissible ranges of impurities are particularly advantageous:
  • the content of metallic impurities in MHC and TZM is ⁇ 5000 pg / g in total.
  • the content of Al (aluminum) and Ni (nickel) is ⁇ 10 pg / g, the content of Cr (chromium), Cu (copper), Fe (iron) ), K (potassium), and Si (silicon) each ⁇ 20 pg / g, the content of W (tungsten) ⁇ 300 pg / g, the content of Cd (cadmium) and Pb (lead) each ⁇ 5 pg / g and the content of Hg (mercury) ⁇ 1 pg / g.
  • the total content of any impurities caused by H (hydrogen), N (nitrogen) and O (oxygen) at MHC is ⁇ 1000 pg / g.
  • the H and N content is ⁇ 10 pg / g and the O content is ⁇ 600 pg / g.
  • the total amount of impurities caused by H, N, O and C (carbon) at TZM is ⁇ 1500 pg / g.
  • the H and N content is ⁇ 10 pg / g and the O content is ⁇ 500 pg / g.
  • the anode disk and the bearing bush can be made from different materials. According to a further development, the anode disk and the bearing bush are both formed from molybdenum or both from the same molybdenum-based alloy.
  • the material connection is a friction weld connection.
  • friction welding technology has a high degree of reproducibility and a high degree of automation.
  • an additional material such as a welding filler material, an insert inserted between the components to be connected, etc.
  • Mo-based alloys are preferred over pure Mo for friction welding.
  • the two components are made from the same Mo-based alloy (e.g.
  • the anode disk on the side of the bearing sleeve to a connecting piece which extends the hole of the anode disk with its inner wall and protrudes opposite the outer surface of the anode disk.
  • At least one axial section of the inner wall of the connecting piece is circumferentially designed as a liquid metal bearing tread and forms (in addition to the inner wall of the hole in the anodic disk and possibly other sections) part of the second Operaabschnit tes of the liquid metal bearing outer shell.
  • the integral connection between the protruding connection piece of the anode disk and the bearing bushing is formed.
  • the material connection between the anode disk and the bearing bush can be produced more easily.
  • the integral connection is thus spaced from the outside surrounding surface of the anode disk, for example by 2-50 mm, preferably by 5-30 mm (areas apply to the finished integral connection).
  • the connecting piece is preferably designed monolithically with the anode disk, which is advantageous in terms of stability and running properties.
  • the connecting piece is preferably formed monolithically from the material of the anode disk as part of a forging process. Alternatively, it can also be firmly bonded to the anode disk.
  • the hole of the anode disk is designed as a through hole and the anode disk has an extension piece opposite from the side of the bearing bushing, the inner wall of which extends the through hole of the anode disk and which protrudes from the outside surrounding surface of the anode disk.
  • At least one axial section of the inner wall of the extension piece is circumferentially designed as a liquid metal bearing running surface and forms part of the second section of the liquid metal bearing outer shell (in addition to the inner wall of the hole in the anode disk, possibly the connecting piece and possibly other sections).
  • the extension piece can also preferably be designed monolithically with the anode disk (e.g. formed by forging) or alternatively be connected to the anode disk in a materially bonded manner.
  • the extension piece and any further components that may be present then preferably form the closure of the liquid metal bearing outer shell.
  • another bearing bush can be firmly connected to the extension piece and thus extend the liquid metal bearing outer shell even further, with the variants described here for connecting the connecting piece to the bearing bush are also possible.
  • the thickness (measured in the axial direction) of the anode disk increases in the radial direction towards the axis of rotation.
  • This thickness can take place continuously (with a constant slope or with a varying thickness profile) or in one or more stages.
  • the heat generated in the area of the focal path can be divided towards the axis of rotation over an increasingly larger material cross-section and then effectively over the large area of the liquid metal bearing outer shell (over the liquid metal arranged in the bearing gap and then over the liquid metal bearing inner shell and the adjoining components , for example via a pin with coolant cooling).
  • the increase in thickness starting from a reference thickness measured radially in the center in the area of a beveled focal path surface up to the thickness in the area of the hole, is 30-300%, in particular 50-260%, even more preferably 70-230% (an increase in thickness of 100 % corresponds to a doubling of the thickness). This is particularly advantageous with regard to heat dissipation and also with regard to the stability and running properties of the liquid metal bearing outer shell.
  • Thickness in the area of the hole is the thickness of the anode disk directly in the area of the inner wall of the hole, with this thickness measurement also possibly monolithically formed with the anode disk, such as a monolithically formed connecting piece and / or a monolithically formed Extension stubs, are included, but not only components that are firmly bonded to the anode disk (e.g. the bearing bush).
  • the anode disk also increases in thickness radially inwardly without the inclusion of the possibly monolithically designed connecting stubs and / or extension stubs.
  • the latter increase in thickness is 20-150%, preferably 30-100%, with the provision of a monolithic connecting and / or extension piece instead of the “area of the hole” a directly (radially) outside of this connection and / or extension piece Reference range is used.
  • the anode disk has several evenly arranged circumferentially and through the thickness of the anode disk.
  • existing slots each of which extends over a radial section in the region between an outer circumference of the anode disk and the hole of the anode disk.
  • Such slots enable the material of the anode disk to be stretched during use at the increased temperatures occurring without it being plastically deformed, as a result of which stresses within the material and thus material fatigue or material failure are avoided.
  • Such slots can extend exactly radially. Alternatively, however, they can also run slightly obliquely to the radial direction (for example at an angle of> 0 ° up to 5 °).
  • end bores which preferably extend through the thickness of the anode disk and each have a larger diameter than the width of the opening slots, and / or a circumferential channel can be provided be.
  • the slots extend all the way to theassium catch, ie open into the outer circumference, while they end radially outside of the hole in the anode disk.
  • all slots are symmetrical to each other with respect to the axis of rotation. The provision of such slots is particularly advantageous when the thickness of the anode disk increases towards the axis of rotation.
  • the present invention also relates to an X-ray rotary anode system comprising an X-ray rotary anode according to the invention with an integrated liquid metal bearing outer shell, which can optionally also be designed according to one or more of the developments explained above, as well as a liquid metal bearing inner shell inserted into the liquid metal bearing outer shell, which has a liquid metal bearing running surface, the liquid metal bearing outer shell and the liquid metal bearing inner shell being matched to one another in such a way that a defined bearing gap is formed between them (gap width in particular as indicated above).
  • At least one circumferential mechanical limiting element is provided in the area of at least one axial end section (axial: based on the axis of rotation) of the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing outer shell and / or the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing inner shell, which in use, a flow of liquid metal located in the bearing gap is limited in the axial direction.
  • the mechanical limiting element consequently serves to retain the liquid metal in the (axially) inner region of the liquid metal bearing, where it is required to achieve the sliding effect.
  • the mechanical limiting element can in particular be formed by one or more of the following variants:
  • a sealing ring made of a material (e.g. an alloy containing iron, nickel and cobalt) that interacts with the liquid metal located in the bearing gap (see e.g. DE 10 2015204488 A1).
  • a material e.g. an alloy containing iron, nickel and cobalt
  • a circumferential coating is provided in the area of at least one axial end section of the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing outer shell and / or the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing inner shell, which wetting through the in use in the Liquid metal located in the bearing gap is suppressed.
  • the liquid metal is held back in the (axially) inner area of the liquid metal bearing, where it is required to achieve the sliding effect.
  • Suitable coatings include titanium oxides, aluminum oxides, titanium nitrides and mixtures thereof, in particular CrN (chromium nitride), Cr2N (dichromium nitride), Cr203 (chromium (III) oxide), TiAlN (titanium aluminum nitride) (cf. eg US 2017/0169984 A1).
  • the coating can be provided both on the liquid metal bearing inner shell and on the liquid metal bearing outer shell. If necessary, however, it can also be provided on only one (for example only on the inner shell of the liquid metal bearing). Furthermore, it can also be provided in the area of at least one mechanical limiting element.
  • the inner shell of the liquid metal bearing is formed on a pin which is guided through the bearing bush at least into the hole in the anode disk.
  • the pin preferably has at least one coolant channel for guiding coolant. If the hole is designed as a through hole, the pin preferably also extends completely through this through hole.
  • the pin can preferably be formed from one component (in one piece), since this is advantageous with regard to its stability and the tightness of the coolant channel. Alternatively, it can also be formed from several components that are positively and / or cohesively connected to one another, which can be advantageous in particular in the case of a complex structure of the liquid metal bearing.
  • the heat can be effectively dissipated during use through the at least one coolant channel, which preferably extends over at least 80% of the length of the pin.
  • the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing outer shell and / or the liquid metal bearing running surface on the liquid metal bearing inner shell has at least two circumferential, surface-structured running sections which are spaced apart from one another in the axial direction.
  • at least one section without superficial structuring is provided between the at least two superficially structured running sections.
  • the rotating component rotates, liquid metal collects and forms an increased pressure. This achieves a particularly good sliding effect.
  • the rotating and static components are fixed relative to one another in the radial direction.
  • a superficially structured running section is formed in an area completely arranged within the anode disk or is at least formed to overlap with this area.
  • the superficial structuring can, for example, be designed as a grooved pattern (having, for example, one or more subregions, each with grooves running parallel to one another).
  • the superficially structured running sections can in principle be provided both on the liquid metal bearing inner shell and on the outer shell. In principle, running sections structured on the surface can also be formed opposite one another (in relation to the bearing gap). However, it is preferred that in the area of a superficially structured running section of one component (for example on the liquid metal bearing inner shell) the other component in the opposite area does not have a superficially structured running section.
  • the present invention also relates to a method for producing an X-ray rotary anode according to the invention, which can optionally also be designed according to one or more of the developments and variants explained above, the method having the following steps:
  • the method creates a cost-effective and reliable manufacturing route for manufacturing X-ray rotating anodes according to the invention. Furthermore, the Further developments and variants explained above are also possible in the method according to the invention by providing corresponding method steps, the advantages explained above being achieved.
  • the anode disk and / or the stump are preferably provided as part of a powder-metallurgical production. This includes, in particular, the pressing and sintering of the corresponding starting powder, preferably also forming (e.g. rolling, forging, round rolling, round forging, etc.).
  • a hole in the anode disk and / or a through hole in the bearing bush can already be preformed before the material connection, so that mechanical reworking is less complex. Alternatively, they can also be worked out in the course of mechanical processing (i.e. the anode disk and / or the stump do not have a hole or through hole before the material connection).
  • the material connection is preferably carried out by friction welding.
  • a focal path coating can already be applied to the anode disk prior to the material connection (e.g. in the context of a powder metallurgical production in the composite), but it can also be applied afterwards, e.g. by thermal spraying (e.g. vacuum plasma spraying), by chemical vapor deposition (CVD: Chemical vapor deposition) or by physical vapor deposition (PVD: physical vapor deposition).
  • thermal spraying e.g. vacuum plasma spraying
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • FIG. 1 A perspective view of an X-ray rotating anode according to the invention in cross section according to a first embodiment
  • 2A, 2B two cross-sectional views of the X-ray rotary anode from FIG. 1 to illustrate the manufacture
  • 3 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a second embodiment
  • 4 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a third embodiment
  • 5 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a fourth embodiment
  • 6 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a fifth embodiment
  • 7 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a sixth embodiment
  • FIG. 8 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode according to the invention according to a seventh embodiment
  • FIG. 9 a cross-sectional view of an X-ray rotary anode system according to the invention with inserted peg, two variants A and B of the peg being shown above the cross-sectional view, each in a plan view and a cross-sectional view.
  • JP 2012/084400 A and US 2017/0169984 A1 are shown. That is, in the representations of FIGS. 1-9, the bearing bush, the anode disk and the pin can also continue in the axial direction - with a possibly different course or different configuration - and / or be connected to other components .
  • FIGS. 1 and 2A, 2B A first embodiment of an X-ray rotary anode 2 according to the invention is explained below with reference to FIGS. 1 and 2A, 2B.
  • This has a rotationally symmetrical in its basic shape to an axis of rotation 4 (axial direction) trained anode disk 5 made of MHC.
  • On one side of the anode disk 5 there is a circumferential focal path 6 with a focal path coating made of a W-Re alloy (W: 95% by weight; Re: 5% by weight).
  • W-Re alloy W: 95% by weight
  • Re Re: 5% by weight
  • the anode disk 5 has a circumferential beveled focal path surface 10 which is angled relative to a reference plane 8 extending perpendicular to the axis of rotation 4 (at an angle a).
  • a hole 12 the inner wall 14 of which is designed as a liquid metal bearing running surface, extends through the anode disk 5.
  • the anode disk Opposite from the side of the focal path 6, the anode disk has a monolithic, tubular connec tion stub 16 forged on from the material of the anode disk 5, which protrudes from the surface of the anode disk 5 surrounding the outside.
  • Its inner wall 18 extends the hole 12 of the anode disk 5 and is also thoroughlybil det as a liquid metal bearing tread.
  • a tubular bearing bush 20, which is also made of MHC, is connected with its axial (annular) end face via a cohesive connec tion 21 with the correspondingly designed, axial (annular) end face of the connecting piece 16.
  • the inner wall 22 of the bearing bush 20 is designed circumferentially as a liquid metal bearing running surface.
  • the liquid metal bearing running surfaces of the anode disk 5, the connecting piece 16 and the bearing bush 20 jointly form a continuous liquid metal bearing running surface which in the present case extends linearly in the form of a cylinder jacket surface and which forms part of a liquid metal bearing outer shell.
  • the bearing sleeve 20 and the anode disk 5 are still shown as separate components and finally in Fig. 2B after the establishment of the integral connection 21 via friction welding (and mechanical reworking). As explained, the friction welding leads to a shortening of the connec tion stub 16 and the bearing bush 20 in the area of the connection zone in the axial direction.
  • the thickness of the anode disk 5 'radially inward continuously increases starting from a reference thickness dR (measured radially in the middle in the area of the beveled focal path surface 10) up to the maximum thickness du in the area of the hole 12 (including all components monolithically connected to the anode disk 5 ', ie the present Connecting piece 16) by 30-300%. Furthermore, starting from the reference thickness dR, the thickness increases radially inward by 20-150% even without including the monolithically formed connecting piece 16, the thickness di in the inner area then being measured directly (radially) outside of the connecting piece 16.
  • the anode disk 5 has - in comparison to the first embodiment - on the side opposite the bearing bush 20 an extension connector 24 which, with its inner wall 26, the (through) hole 12 of the anode disk 5 extended and opposite to the outside surrounding surface of the anode disk 5 is in front.
  • the inner wall 26 of the extension piece 24 is also designed all around as a liquid metal bearing running surface and thus forms part of the liquid metal bearing outer shell.
  • the increase in thickness starting from the reference thickness dR up to the maximum thickness du is shown in FIG.
  • the anode disk 5 ′′ - in comparison to the first embodiment - has no connecting stub. Rather, the bearing bush 20 is connected directly to the planar surface of the anode disk 5 ′′ via a diffusion connection.
  • the bearing bush 20 is arranged on the same side as the focal path 6.
  • the connecting piece 16 ′ on the anode disk 5 ′ ′′ is also arranged on the side of the focal path 6.
  • the anode disk 5 ′′ - similar to the fourth embodiment (see FIG. 5) - has no connecting stub. Rather, the bearing bush 20 is over a diffusion connection is connected directly to the planar surface of the anode disk 5 ".
  • the seventh embodiment shown in FIG. 8 differs from the sixth embodiment in that the thickness of the anode disk 5 ′′ continuously increases radially inward.
  • an X-ray rotary anode system 27 is shown in which the X-ray rotary anode 2 with anode disk 5 ‘′′, connecting piece 16‘ and bearing bushing 20 is designed as in the fifth embodiment (cf. FIG. 6). Also shown is a pin 28 inserted on the inside, on which the liquid metal bearing inner shell is formed. A bearing gap 30 is formed between the liquid metal bearing inner shell of the journal 28 and the liquid metal bearing outer shell, which is filled with liquid metal (not shown) during use.
  • Two exemplary variants for the design of the pin 28 are shown above the X-ray rotating anode. According to the first variant A (shown above in FIG.
  • the pin 28 has a tubular basic shape and a smooth surface on the outside.
  • the pin 28 ‘has two superficially structured and axially spaced running sections 32, 34.
  • the pin 28 ' also has a coolant channel 36 running on the inside, which has a coolant tube 40 inserted into a blind hole 38, the diameter of the coolant tube 40 being selected to be correspondingly smaller than that of the blind hole 38, so that coolant flows in via the coolant tube 40, for example can flow back on the outside via the annular channel formed between the coolant tube 40 and the blind hole 38.
  • the anode disk and a stump are using cylindrical basic shape produced by powder metallurgy, which includes the steps of providing the appropriate starting powder (for MHC), pressing and sintering, as well as in the present case a subsequent forming (forging the anode disk; radial forging the stump).
  • the stump is mechanically processed so that it has a tubular basic shape in order to form the later bearing bush.
  • a protruding tubular connection piece (with an axial length of 40 mm) is forged on the anode disk centrally on one side, ie the connection piece is formed monolithically from the material of the anode disk.
  • Both the end face of the tubular stump and the end face of the connecting piece have an area to be welded of 2,000 mm 2 and an inside diameter of 44 mm (the outside diameter is determined by this).
  • a friction welding machine with direct spindle drive is used. The tubular stump is clamped into the (non-rotating) holder of the friction welding machine and the anode disk is clamped into the (rotating) spindle holder.
  • the anode disk is then set in rotation (2,000 revolutions per minute) and pressed against the stump with a friction pressure of 30 bar. Then the drive of the anode disk is stopped and the upsetting pressure is increased to 65 bar. The total friction time, ie within which a relative rotational movement takes place between the anode disk and the stump, is 3 seconds.
  • Mechanical processing then follows to produce the final geometry, the tubular stump then forming the bearing bush. Other add-on parts, coatings, coverings, etc. can be added - as explained at the beginning.
  • stress relief annealing e.g. at temperatures in the range of 1,100 ° C - 1,300 ° C
  • stress relief annealing can be inserted once or several times during the manufacturing process,
  • Example 2 In the following, a production method of an X-ray rotary anode according to the invention is described, in which the anode disk and the bearing bush are made from TZM and are connected to one another by friction welding. The same steps and parameters are used as in the 1st example with the exception of the following deviations: Starting powder for the production of the anode disk and the stump from TZM (and not from MHC) is provided. The frictional pressure used is only 25 bar and the upsetting pressure is increased to only 60 bar after the anode disk has been driven.
  • Example 3 A manufacturing method of an X-ray rotating anode according to the invention, in which the anode disk and the bearing bush are made of TZM and are connected to one another via diffusion bonding, is described below.
  • the anode disk and a tubular stump are produced from TZM.
  • Both the (to be connected) end face of the tubular stump and the (to be connected) end face of the connecting piece are mechanically machined and then ground and / or polished in order to provide a smooth planar surface.
  • the diffusion bonding of the two components is then carried out with their end faces resting against one another at a temperature of 1,700 ° C., a pressure of 10 MPa and a duration of at least 5 minutes (preferably in the range of 6-15 minutes).
  • liquid metal bearing running surface of the liquid metal bearing outer shell does not necessarily have to have a rectilinear course in the form of a cylinder jacket surface, but rather, as explained at the beginning, it can also have a stepped course, a circumferential rib, etc.
  • Liquid metal bearing inner shell has a correspondingly adapted course.

Landscapes

  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetalllager-Außenschale, aufweisend eine Anodenscheibe (5) aus Mo oder einer Mo- basierten Legierung mit einem im Bereich der Drehachse (4) zentral ausgebildeten und sich in axialer Richtung zumindest durch einen Teil der Anodenscheibe (5) hindurch erstreckenden Loch (12) und eine Lagerbüchse (20) aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung. Die Lagerbüchse (20) ist derart über eine stoffschlüssige Verbindung (21) mit der Anodenscheibe (5) verbunden, dass die Innenwand (22) der Lagerbüchse (20) das Loch (12) der Anodenscheibe (5) fortsetzt, und dass zumindest ein axialer Abschnitt einer Innenwand (14) des Lochs (12) der Anodenscheibe (5) und zumindest ein axialer Abschnitt einer Innenwand (22) der Lagerbüchse (20) umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet sind und zumindest einen Teil einer Flüssigmetalllager-Außenschale bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Herstellverfahren.

Description

RONTGENDREHANODE MIT INTEGRIERTER FLÜSSIGMETALLLAGER-AUßENSCHALE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgendrehanode mit einer integrierten Flüssigmetalllager-Außenschale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Röntgendrehanodensystem aufweisend eine Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetalllager-Außenschale und eine darin eingesetzte Flüssigmetalllager innenschale sowie ferner ein Herstellverfahren solch einer Röntgendrehanode.
Röntgendrehanoden werden in Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgen strahlen eingesetzt. Im Einsatz werden Elektronen aus einer Kathode der Rönt genröhre emittiert und in Form eines fokussierten Elektronenstrahls auf die in Rotation versetzte Röntgendrehanode beschleunigt. Aufgrund der Drehbewe gung der Röntgendrehanode wird durch den Elektronenstrahl eine ringförmige Bahn - die Brennbahn - abgetastet. Ein Großteil der Energie des Elektronen strahls wird in der Röntgendrehanode in Wärme umgewandelt, während ein kleiner Anteil als Röntgenstrahlung abgestrahlt wird. Die lokal freigesetzten Wärmemengen führen zu einer starken Aufheizung der Röntgendrehanode. Durch die Rotation der Röntgendrehanode wird einer Überhitzung des Ano denmaterials entgegengewirkt.
Insbesondere im Hochleistungsbereich wird eine hohe Strahlungsleistung (bzw. Dosisleistung) gefordert, die durch Einsatz eines entsprechend hochenergeti schen und stark fokussierten Elektronenstrahls erzeugbar ist. Um eine Materi alermüdung aufgrund von hohen Temperaturen und Temperaturgradienten zu vermeiden, müssen Röntgendrehanoden für hohe Drehfrequenzen sowie für eine effektive und gleichmäßige Wärmeableitung ausgelegt sein. Im Hinblick auf diese Anforderungen ist der Einsatz eines Flüssigmetalllagers zur Lagerung der Röntgendrehanode vorteilhaft.
Aus der US 2016/0086760 A1 und der US 2017/0125199 A1 ist jeweils ein Röntgendrehanodensystem bekannt, bei dem eine Flüssigmetalllager- Außenschale als Einsatz in ein zentrales Durchgangsloch der Röntgendreh anode eingesetzt ist. Ferner ist in der US 2016/0086760 A1 ein Reibschweiß- verfahren unter Einsatz eines Zwischenbauteils, das in die Schweißzone einge bracht wird, beschrieben. Weitere Röntgendrehanodensysteme sind aus den Druckschriften US 5,204,890 A und US 6 198 805 B1 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Röntgendrehanoden bzgl. einer guten Lagerung bei hohen Drehfrequenzen und einer gleichmäßigen und effektiven Wärmeableitung zu verbessern. Ferner soll eine kostengünstige und prozessstabile Herstellung der Röntgendrehanode ermöglicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1, ein Röntgendrehanodensystem gemäß Anspruch 10 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Röntgendrehanode gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Wei terbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetalllager-Außenschale bereitgestellt. Die Röntgendrehanode weist eine Anodenscheibe aus Mo (Mo: Molybdän) oder einer Mo-basierten Legie rung mit einem im Bereich der Drehachse zentral ausgebildeten und sich in axi aler Richtung zumindest durch einen Teil der Anodenscheibe hindurch erstre ckenden Loch und eine Lagerbüchse aus Mo oder einer Mo-basierten Legie rung auf. Die Innenwand der Lagerbüchse ist zumindest über einen axialen Ab schnitt derselben umlaufend (d.h. in Umfangsrichtung bezogen auf die Dreh achse) als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet und bildet einen ersten Teilabschnitt der Flüssigmetalllager-Außenschale. Insbesondere kann die ge samte (typischerweise zylindrisch ausgebildete) Innenwand der Lagerbüchse als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet sein. Alternativ kann aber auch nur ein axialer Abschnitt der Innenwand der Lagerbüchse, der dann ebenfalls typischerweise zylindrisch ausgebildet ist, als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet sein, während ein weiterer axialer Abschnitt z.B. auch mechanische Begrenzungselemente und/oder eine Beschichtung, durch die im Einsatz Flüs sigmetall im Flüssigmetalllager zurückgehalten wird, aufweisen kann. Die Flüs- sigmetalllager-Außenschale wird durch den ersten und einen daran angrenzen den zweiten Teilabschnitt gebildet und weist eine durchgehende Flüssigmetall- lager-Lauffläche auf. Die Lagerbüchse ist dabei derart über eine stoffschlüssige Verbindung mit der Anodenscheibe verbunden, dass die Innenwand der Lager büchse das Loch der Anodenscheibe fortsetzt. Ferner ist zumindest ein axialer Abschnitt einer Innenwand des Lochs der Anodenscheibe umlaufend (d.h. in Umfangsrichtung bezogen auf die Drehachse) als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet und bildet zumindest einen Teil des zweiten Teilabschnittes der Flüssigmetalllager-Außenschale. Auch hier kann wiederum die gesamte (typi scherweise zylindrisch ausgebildete) Innenwand des Lochs umlaufend als Flüs- sigmetalllager-Lauffläche ausgebildet sein. Im Falle eines Sacklochs kann ggf. auch der Boden des Lochs eine Flüssigmetalllager-Lauffläche bilden. Alternativ kann aber auch nur ein axialer Abschnitt der Innenwand des Lochs, der dann ebenfalls typischerweise zylindrisch ausgebildet ist, umlaufend als Flüssigme talllager-Lauffläche ausgebildet sein.
Bei Flüssigmetalllagern wird zwischen einer Flüssigmetalllager-Außenschale und einer Flüssigmetalllager-Innenschale, die aufeinander abgestimmt sind und von denen eine an einer stationären Komponente und eine an einer rotierenden Komponente ausgebildet ist, ein definierter Lagerspalt gebildet. Vorliegend ist die Flüssigmetalllager-Außenschale integral mit der Röntgendrehanode und damit als rotierende Komponente ausgebildet. Die Flüssigmetalllager- Innenschale kann z.B. integral an einem in die Flüssigmetalllager-Außenschale eingeführten Zapfen (stationäre Komponente) ausgebildet sein. Der Lagerspalt ist im Einsatz mit Flüssigmetall (z.B. Gallium, eine Galliumlegierung wie z.B. eine eutektische Gallium-Indium-Zinn-Legierung, etc.) gefüllt. Die Spaltbreite beträgt typischerweise von wenigen Mikrometern bis zu 500 pm (zumindest < 1 mm); insbesondere von 5-500 pm, bevorzugt von 7-40 pm, wobei die Spaltbrei te auch über die Länge des Lagerspaltes variieren kann. Insbesondere kann/können auch mindestens eine umlaufende Aussparung und/oder Stufe bzw. Rippe in der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder -Innenschale vor gesehen sein, im Bereich derer die Spaltbreite auch abweichend zu dem Rest des Lagerspaltes ausgebildet sein kann (vgl. z.B. DE 102015215306 A1). Insbesondere kann mindestens eine umlaufende Rippe an der einen Kompo nente mit (mindestens) einer entsprechend ausgebildeten Rinne an der ande ren Komponente zur Fixierung der beiden Komponenten relativ zueinander in axialer Richtung vorgesehen sein. Als Flüssigmetalllager-Laufflächen werden die Abschnitte der Flüssigmetalllager-Außenschale und der Flüssigmetalllager innenschale bezeichnet, die im Einsatz sowohl an der Flüssigmetalllager- Außenschale als auch an der Flüssigmetalllager-Innenschale mit Flüssigmetall benetzt sind und damit eine reibungsarme Rotation ermöglichen. Das Flüssig metall verhindert einen direkten Kontakt zwischen der Flüssigmetalllager- Außenschale und der Flüssigmetalllager-Innenschale und wirkt gleichzeitig als Schmiermittel, wodurch ausgezeichnete Laufeigenschaften erzielt werden. Zum Antrieb der Röntgendrehanode ist die Flüssigmetalllager-Außenschale mit ei nem Rotor versehen bzw. an diesen (mechanisch) gekoppelt, der in Zusam menwirken mit einem Stator in bekannter Weise in Rotation versetzt wird.
Der Einsatz eines Flüssigmetalllagers zur Lagerung der Röntgendrehanode ist vorteilhaft, da Flüssigmetalllager für eine hohe Last sowie für hohe Drehfre quenzen ausgelegt sind und dabei gleichzeitig eine hohe Betriebssicherheit und eine lange Lebensdauer aufweisen. Ein Vorteil (z.B. gegenüber einem Kugella ger) ist, dass der erhöhte Druck des in dem Lagerspalt befindlichen Flüssigme talls über einen größeren Flächenabschnitt (insb. in axialer Erstreckung) aus gebildet wird und damit die mechanische Stabilität erhöht ist. Insbesondere sind bei Flüssigmetalllagern Drehfrequenzen von bis zu 300 Hz (Hertz) möglich, während z.B. Kugellager in der Regel für Drehfrequenzen von deutlich unter 200 Hz (z.B. 140 Hz) ausgelegt sind. Weiterhin sind Flüssigmetalllager im Ver gleich zu Kugellagern geräuscharm und ermöglichen aufgrund der vergrößerten Kontaktfläche (über den mit Flüssigmetall gefüllten Lagerspalt) eine effektive und großflächige Wärmeableitung. Damit kann die Wärme effektiv auf die stati onäre Komponente (z.B. auf einen innenseitig in die Flüssigmetalllager- Außenschale eingesetzten Zapfen) abgeleitet werden. Von der stationären Komponente wiederum kann dann die Wärme effektiv über eine innenseitige Kühlung (mittels eines in mindestens einem Kühlkanal geführten Kühlmittels) abgeführt werden, so dass das Wärmemanagement (Thermal Management) sehr effektiv und damit für den Hochleistungsbereich geeignet ist. Kugellager hingegen sind aufgrund der eingesetzten wärmeempfindlichen Beschichtungen nicht für eine effektive Wärmeableitung über das Lager ausgelegt, da dies zur Schädigung der jeweiligen Beschichtung führen würde. Mo bzw. Mo-basierte Legierungen sind besonders vorteilhaft als Material für die Anodenscheibe sowie für die Lagerbüchse, da sie eine hohe Festigkeit (auch bei den hohen Einsatztemperaturen) aufweisen und eine gute Wärmeableitung ermöglichen. Ferner weisen Mo bzw. Mo-basierte Legierungen eine gute Be netzbarkeit für die typischerweise eingesetzten Flüssigmetalle auf. Dement sprechend ist weiterhin vorteilhaft, dass die Innenwand der Lagerbüchse wie auch die Innenwand des Lochs der Anodenscheibe als Flüssigmetalllager- Lauffläche ausgebildet sind, da damit bereits durch das Grundmaterial eine gu te Benetzbarkeit gegeben ist. Optional kann an der Innenwand der Lagerbüch se und/oder an der Innenwand des Lochs - jeweils vollständig oder auch nur abschnittsweise -eine Beschichtung (von typischerweise weniger als 10 pm Dicke) vorgesehen sein. Es ist aber kein separater Einsatz mit einer innenseiti gen Flüssigmetalllager-Außenschale, der in das Loch der Anodenscheibe ein gebracht und mit dieser verbunden werden müsste, vorgesehen, was herstel lungsseitig aufwändiger wäre und eine Barriere für die Wärmeableitung darstel len könnte. Weiterhin wird eine hohe mechanische Stabilität zwischen der Ano denscheibe und der Flüssigmetalllager-Außenschale erzielt, was für die Laufei genschaften vorteilhaft ist. Indem die Innenwand der Lagerbüchse die Innen wand des Lochs der Anodenscheibe fortsetzt und damit eine Flüssigmetallla- ger-Lauffläche mit entsprechend langer axialer Erstreckungslänge bereitgestellt wird, sorgt dies für eine mechanisch stabile und präzise Führung bei Rotation der Anodenscheibe.
Als Mo-basierte Legierung wird vorliegend eine Legierung verstanden, die > 50 Gew.% Mo enthält. Insbesondere enthält sie zu > 80 Gew.%, noch bevorzugter zu > 98 Gew.% Mo, was angesichts der oberhalb genannten Eigenschaften von Mo besonders vorteilhaft ist. Dabei müssen die Anodenscheibe und die Lager büchse nicht vollständig aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung ausgebildet sein, sondern es wird hier insbesondere auf das Grundmaterial Bezug genom men. Insbesondere können sie eine Beschichtung (z.B. eine Schwärzungs schicht zur Erhöhung der abgestrahlten Wärmeleistung), Anbauteile, wie z.B. ein an der Anodenscheibe befestigter C-basierter Körper als Wärmespeicher (z.B. Graphitkörper), ein an der Lagerbüchse angebrachter Flansch, etc., oder auch einen Belag, wie z.B. ein im Bereich der Brennbahn aufgebrachter, umlau- fender Brennbahnbelag, vorgesehen sein. Wie eingangs erläutert, wird dabei als „Brennbahn“ der ringförmig um die Drehachse umlaufende Abschnitt der Anodenscheibe bezeichnet, der im Einsatz durch den Elektronenstrahl abgetas tet wird. Typischerweise ist im Bereich der Brennbahn (mit einer gewissen radi alen Erstreckung) ein Brennbahnbelag auf die Anodenscheibe aufgebracht. Der Brennbahnbelag wird insbesondere durch W oder eine W-Re-Legierung mit einem Re-Anteil von 1-15 Gew.%, insbesondere von 5-10 Gew.%, gebildet (W: Wolfram; Re: Rhenium). Ferner weist die Anodenscheibe in dem Bereich der Brennbahn typischerweise eine abgewinkelte Brennbahnfläche auf, die vor zugsweise eine umlaufende Kegelstumpf-Mantelfläche bildet. Insbesondere ist die Brennbahnfläche abgewinkelt relativ zu einer sich senkrecht zu der Dreh achse erstreckenden Referenzebene, wodurch der Austritt der erzeugten Rönt genstrahlung durch ein seitlich gelegenes Austrittsfenster des jeweiligen Röntgengeräts ermöglicht wird. Beispielsweise bildet sie einen Brennbahnwin kel im Bereich von 2°-16,25°, insbesondere von 7°-13°relativ zu dieser Refe renzebene aus.
Die in Bezug genommene „Drehachse“ ist durch die rotationssymmetrische Grundform der Röntgendrehanode sowie der Flüssigmetalllager-Außenschale vorgegeben. Die Drehachse gibt gleichzeitig die (parallel hierzu verlaufende) „axiale Richtung“ sowie die (senkrecht hierzu verlaufende) „radiale Richtung“ vor. Eine „Referenzebene“ der Röntgendrehanode (die typischerweise gleich zeitig deren Haupterstreckungsebene bildet), erstreckt sich insbesondere senk recht zu der Drehachse. Anzumerken ist, dass die Röntgendrehanode nicht exakt bis in jedes Detail rotationssymmetrisch ausgebildet sein muss, so dass z.B. in Umlaufrichtung ausgebildete Schlitze, periodisch angeordnete Vorsprün ge, Vertiefungen, Anbauteile, etc., eine exakte Rotationssymmetrie durchbre chen können. Als Lagerbüchse wird ein Bauteil mit einem (Durchgangs-)Loch, dessen Innenwand vorliegend zumindest abschnittsweise als Flüssigmetallla ger- Lauffläche ausgebildet ist, bezeichnet, wobei die Lagerbüchse unterschied liche (insbesondere außenseitige) Konturen und Anbauteile aufweisen kann.
Die Lagerbüchse (und entsprechend die mechanische Halterung der Röntgen drehanode) ist in einer bevorzugten Variante auf der von der Brennbahn ge genüberliegenden Seite der Anodenscheibe angeordnet. Alternativ kann die Lagerbüchse (und entsprechend die mechanische Halterung der Röntgendreh anode) auch auf der Seite der Anodenscheibe, auf der die Brennbahn vorgese hen ist, angeordnet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der erste Teilabschnitt der Flüssigmetall- lager-Außenschale monolithisch mit der Lagerbüchse und zumindest ein Teil des zweiten Teilabschnitts der Flüssigmetalllager-Außenschale monolithisch mit der Anodenscheibe ausgebildet. „Monolithisch“ bedeutet dabei, dass das betref fende Bauteil im Rahmen der metallurgischen Herstellung (vorzugsweise pul vermetallurgisch oder alternativ schmelzmetallurgisch) einteilig hergestellt wird, wobei eine nachträgliche mechanische Bearbeitung, bspw. zur Einbringung des Loches und/oder einer oberflächliche Strukturierung, und/oder eine nachträgli che Aufbringung mindestens einer Schicht möglich sind. Eine monolithische Ausbildung ist für den Fachmann anhand einer einheitlichen und durchgehen den Mikrostruktur (des Grundmaterials aus Mo oder einer Mo-basierten Legie rung) erkennbar. Bevorzugt ist eine pulvermetallurgische Herstellung der Ano denscheibe und/oder der Lagerbüchse, wobei diese die Schritte des Pressens und Sinterns von entsprechenden Ausgangspulvern sowie vorzugsweise eine anschließende Umformung (z.B. Walzen, Schmieden, Extrudieren, etc.) des erhaltenen Formkörpers aufweist. Die pulvermetallurgische Herstellung führt zu einer typischen und für den Fachmann erkennbaren Mikrostruktur, die z.B. klar von einem (im Rahmen einer schmelzmetallurgischen Herstellung erhaltenen) Schmelzgefüge unterscheidbar ist. Die Innenwand der Lagerbüchse ist also zumindest in dem Bereich der Flüssigmetalllager-Lauffläche aus dem Grundma terial (Mo bzw. Mo-basierte Legierung) der Lagerbüchse gebildet und die In nenwand des Lochs der Anodenscheibe ist zumindest in dem Bereich der Flüs- sigmetalllager-Lauffläche aus dem Grundmaterial (Mo bzw. Mo-basierte Legie rung) der Anodenscheibe gebildet. An der Innenwand der Lagerbüchse und/oder an der Innenwand des Lochs der Anodenscheibe kann ferner eine Beschichtung (von typischerweise weniger als 10 pm Dicke) und/oder eine oberflächliche Strukturierung vorgesehen sein.
Unter einer stoffschlüssigen Verbindung wird verstanden, dass ein durchge hender Materialverbund geschaffen ist, nicht aber, dass nur eine mechanische Befestigung (z.B. über eine Schraub- oder Klemmverbindung, über mechani sche Befestigungselemente, etc.) besteht. Insbesondere wird die stoffschlüssi ge Verbindung der Lagerbüchse und der Anodenscheibe durch Schweißen, durch Löten oder durch Diffusionsbonden (Diffusionsverbindung) hergestellt. Wird die Verbindungszone mikroskopisch im Schliff untersucht, so ist eine Schweißverbindung durch den Fachmann durch eine entsprechende Schweiß zone (aufgeschmolzenes oder zumindest plastifiziertes Grundmaterial), eine Lötverbindung durch eine entsprechende Lötzone (Schmelzstruktur des Lotes) sowie eine Diffusionsverbindung durch eine entsprechende Diffusionszone (Dif fusionsbereich der miteinander verbundenen Grundmaterialien) erkennbar.
Die Ausbildung als Flüssigmetalllager-Außenschale ist für den Fachmann an hand der Formgebung erkennbar, insbesondere anhand der innenseitig rotati onssymmetrisch zur Drehachse ausgebildeten Flüssigmetalllager-Lauffläche sowie der Innenkontur, die die Einführung eines Zapfens (oder anderweitigen Bauteils) mit einer entsprechenden Flüssigmetalllager-Innenschale ermöglicht. Ferner ist an der Innenkontur keine Laufrinne für ein Kugellager vorgesehen (auch wenn die Flüssigmetalllager-Lauffläche grundsätzlich abgestuft und/oder mit einer Rippe bzw. einer Aussparung versehen sein kann). Optional sind im Bereich der Endabschnitte der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder einer Flüssigmetalllager-Innenschale eine oberflächliche Strukturierung, eine Be schichtung und/oder mechanische Begrenzungselemente zur Rückhaltung des Flüssigmetalls im Bereich des Flüssigmetalllagers vorgesehen.
Gemäß einer Weiterbildung ist die stoffschlüssige Verbindung eine über Diffu sionsbonden hergestellte Verbindung, eine Reibschweißverbindung oder eine Strahlschweißverbindung (mit Laser- oder Elektronenstrahl). Der Vorteil der genannten Verbindungstechniken ist, dass damit eine stoffschlüssige Verbin dung mit hoher Festigkeit, auch bei den hohen Einsatztemperaturen, erzielbar ist. Insbesondere kann im Bereich der Verbindungszone auf ein Zusatzmaterial (wie ein Lot, ein Schweißzusatzmaterial, etc.), das im Bereich des Flüssigme talllagers eine störende Verunreinigung (z.B. des Flüssigmetalls) bilden kann, kritisch für die Vakuumstabilität (Einsatz erfolgt im Hochvakuum) sein kann und/oder einen niedrigeren Schmelzpunkt (verglichen mit dem Grundmaterial der verbundenen Bauteile) aufweisen kann, verzichtet werden. Dies ist insbe sondere vorteilhaft gegenüber einer Lötverbindung, bei welcher das Lot typi scherweise einen niedrigeren Schmelzpunkt und - zumindest bei hohen Tem peraturen - eine niedrigere Festigkeit als das Grundmaterial (der verbundenen Bauteile) aufweist.
Beim Diffusionsbonden werden die (typischerweise entsprechend präparierten) Oberflächen der zu verbindenden Bauteile aneinandergefügt und durch Anwen dung von Druck und Temperatur wird eine Diffusion der Atome im Bereich der Verbindungszone bewirkt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung (Diffusions verbindung) resultiert. Nach dem hier zugrunde gelegten (engeren) Verständnis von Diffusionsbonden findet im Bereich der Verbindungszone kein Aufschmel zen des Grundmaterials der zu verbindenden Bauteile statt. Wie bereits ober halb erläutert, ist eine Diffusionsverbindung für den Fachmann durch eine mik roskopische Untersuchung der Verbindungszone im Schliffbild anhand einer entsprechenden Diffusionszone (Diffusionsbereich der miteinander verbunde nen Grundmaterialien), in der kein Schmelzgefüge auftritt, erkennbar. Werden materialgleiche Bauteile durch Diffusionsbonden miteinander verbunden, so ist die Diffusionsverbindung ggf. im mikroskopischen Schliffbild nicht erkennbar, da im Bereich der Verbindungszone ein einheitliches und zu dem jeweiligen Grundmaterial durchgehendes Gefüge erzielt werden kann. In diesen Fällen kann das Vorhandensein einer Diffusionsverbindung dann nur anhand der äu ßeren Geometrie der verbundenen Bauteile (vorliegend: Anodenscheibe und Lagerbüchse) abgeleitet werden, beispielsweise weil sie in der jeweiligen Ge samtform nicht in einem Stück (z.B. pulvermetallurgisch) herstellbar wären. Ei ne Strahlschweißverbindung ist durch den Fachmann anhand einer mikroskopi schen Untersuchung der Verbindungszone im Schliffbild anhand der Schweiß zone, in der ein entsprechendes Schmelzgefüge (der Grundmaterialien und ggf. auch eines zusätzlich eingesetzten Schweißzusatzwerkstoffes) auftritt, sowie an der Wurzel und der Lage der Schmelzzone erkennbar. Eine Strahlschweißver bindung (insbesondere mittels Elektronenstrahlschweißen) ist aufgrund der kleinen Wärmeeinflusszone vorteilhaft. Weiterhin ist das Strahlschweißverfah ren besser für Mo-basierte Legierungen als für reines Molybdän geeignet. Beim Reibschweißen wird ein Bauteil relativ zu und in Kontakt mit dem anderen zu fügenden Bauteil bewegt (z.B. rotiert), um Wärme an den Stoßflächen zu erzeugen. Die Schweißung wird durch Aufbringen einer Kraft während oder nach dem Aufheben der Relativbewegung (z.B. Rotationsbewegung) fertigge stellt, wobei es mehrere Formen der Energiezufuhr und der Relativbewegung gibt. Vorliegend handelt es sich um die Verbindung weitgehend rotationssym metrischer Bauteile, weshalb vorzugsweise das eine Bauteil (z.B. die Lager büchse bzw. ein Stumpf) in Rotation versetzt und dann in Kontakt mit dem an deren Bauteil (z.B. der Anodenscheibe) gebracht wird, um die Reibungswärme zu erzeugen. Das Reibschweißen, das auch die Verbindung von Bauteilen di ckerer Wandstärken (insbesondere 20-130 mm) ermöglicht, bedingt nur eine vergleichsweise niedrige Fügetemperatur im Fügequerschnitt und ist damit in vielen Fällen für Werkstoffe und Werkstoffkombinationen geeignet, die ander weitig schwierig zu schweißen sind (vgl. hierzu auch DIN EN ISO 15620). Dies gilt insbesondere für reines Mo, im Weiteren aber auch für Mo-basierte Legie rungen. Eine Reibschweißverbindung ist für den Fachmann an einer mikrosko pischen Untersuchung der Verbindungszone im Schliffbild anhand einer typi schen Mikrostruktur erkennbar. Insbesondere ist kein Schmelzgefüge erkenn bar, da das Grundmaterial während des Reibschweißens nur in einen plastifi- zierten Zustand versetzt wird. Typischerweise ist die Schweißzone vergleichs weise schmal und hat ein feinkörniges Gefüge. Konkret bei einer Reibschweiß verbindung der Lagerbüchse und der Anodenscheibe, die jeweils aus Mo und/oder (einer) Mo-basierten Legierung gebildet sind, sind im Bereich der Schweißzone mehrere Teilzonen (zwischen dem Grundmaterial der Lagerbüch se und der Anodenscheibe) mit leicht unterschiedlichem Gefüge erkennbar.
Dies betrifft insbesondere die Korngrößenverteilung und die Kornausrichtung. Typischerweise sind die Körner in die Richtung des Materialflusses, der insbe sondere bei Ausbildung der Schweißwulst erfolgt, gestreckt. Zonen unterschied licher Kornstreckung (mit hoher Kornstreckung nahe an der Lagerbüchse und niedrigerer Kornstreckung nahe an der Anodenscheibe) treten insbesondere dann auf, wenn die Lagerbüchse eine hohe Kornstreckung und die Anoden scheibe eine niedrigere Kornstreckung aufweist, was diesen Bauteilen durch deren jeweiligen Herstellungsprozess aufgeprägt wird. Makroskopisch deutet ferner auf eine Reibschweißverbindung hin, wenn auf der Anodenscheibe ein vorstehender Verbindungsstutzen eingesetzt wird, um während des Reib schweißens die Ausbildung einer Schweißwulst (aufgrund des Materialflusses während der Stauchphase) zu ermöglichen. Dies ist insbesondere an einer von der Anodenscheibe beabstandeten Schweißzone zwischen dem Verbindungs stutzen und der Lagerbüchse erkennbar.
Gemäß einer Weiterbildung ist/sind die Mo-basierte(n) Legierung(en) (der Ano denscheibe und/oder der Lagerbüchse) MHC und/oder TZM. Insbesondere ist das Grundmaterial der Lagerbüchse (d.h. abgesehen von Beschichtungen, An bauteilen, etc.) aus MHC und/oder TZM (vorzugsweise nur aus MHC oder nur aus TZM). Insbesondere ist das Grundmaterial der Anodenscheibe (d.h. abge sehen von Beschichtungen, Anbauteilen, etc.) aus MHC und/oder TZM (vor zugsweise nur aus MHC oder nur aus TZM). Beide Legierungen (MHC, TZM) weisen eine hohe Festigkeit und Härte auf. Ihre mechanischen Eigenschaften bleiben bei hohen Temperaturen weitestgehend erhalten, wodurch höhere Pro zesstemperaturen bei der Herstellung wie auch höhere Einsatztemperaturen der Röntgendrehanode möglich sind. Dies gilt insbesondere bei MHC für Tem peraturen bis 1250°C und für TZM bis 1100°C. MHC ist damit für den Hochleis tungsbereich und für hohe Einsatztemperaturen besonders gut geeignet.
MHC ist eine von der Anmelderin Plansee SE angebotene Mo-basierte Legie rung, die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
- einen Hf-Gehalt von 1 ,00 - 1 ,30 Gew.% (Gew.%: Gewichtsprozent),
- einen C-Gehalt von 500-1.200 pg/g (pg: Mikrogramm),
- Rest Mo (typischerweise > 97,0 Gew.%, vorzugsweise > 98,0 Gew.%, wobei der Mo-Gehalt bei entsprechend niedrigem Anteil von Verunreinigungen so gar > 98,5 Gew.% sein kann).
TZM ist eine in dem Standard ASTM B387 (364) spezifizierte und von der An melderin Plansee SE angebotene Mo-basierte Legierung, die für die vorliegen de Anwendung nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
- einen Ti-Gehalt von 0,40-0,55 Gew.%,
- einen Zr-Gehalt von 0,06-0,12 Gew.%, - einen C-Gehalt von 50-500 pg/g, wobei dieser speziell für den Anwen dungsbereich von Röntgendrehanoden sehr gut geeignete Bereich et was breiter als der im Standard ASTM B387 (364) spezifizierte Bereich von 100-400 pg/g ist,
- Rest Mo (typischerweise > 98,0 Gew.%, vorzugsweise > 99,0 Gew.%, wobei der Mo-Gehalt bei entsprechend niedrigem Anteil von Verunrei nigungen sogar > 99,3 Gew.% sein kann).
Der mögliche bzw. zulässige Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen Verunrei nigungen wird typischerweise nicht für alle Elemente spezifiziert, sondern ins besondere für diejenigen, die typischerweise enthalten sind und/oder bei denen ein zu hoher Gehalt für die vorteilhaften Eigenschaften der Legierung kritisch wäre. Vor diesem Hintergrund sind die nachfolgenden zulässigen Bereiche an Verunreinigungen besonders vorteilhaft: Insbesondere ist der Gehalt an metalli schen Verunreinigungen bei MHC und bei TZM in Summe < 5000 pg/g. Insbe sondere ist bei MHC und TZM gemäß der besonders vorteilhaften Spezifikation der Plansee SE der Gehalt an AI (Aluminium) und Ni (Nickel) jeweils < 10 pg/g, der Gehalt an Cr (Chrom), Cu (Kupfer), Fe (Eisen), K (Kalium), und Si (Silicium) jeweils < 20 pg/g, der Gehalt an W (Wolfram) < 300 pg/g, der Gehalt an Cd (Cadmium) und Pb (Blei) jeweils < 5 pg/g und der Gehalt an Hg (Quecksilber) < 1 pg/g. Der Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen durch H (Wasserstoff), N (Stickstoff) und O (Sauerstoff) ist bei MHC in Summe < 1000 pg/g. Insbesondere ist bei MHC gemäß der Spezifikation der Plansee SE der Gehalt an H und N jeweils < 10 pg/g und der Gehalt an O < 600 pg/g. Der Ge halt an gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen durch durch H, N, O und C (Kohlenstoff) ist bei TZM in Summe < 1500 pg/g. Insbesondere ist bei TZM gemäß der Spezifikation der Plansee SE der Gehalt an H und N jeweils < 10 pg/g und der Gehalt an O < 500 pg/g. Je nach Herstell prozess sind Verun reinigungen durch Cr (VI) und organische Verunreinigungen möglich und ak zeptabel bis zu einem Maximalwert von jeweils < 1000 pg/g, bei den von Plan see SE angebotenen Legierungen sind sie typischerweise nicht nachweisbar. Die Summe S an allen Verunreinigungen ist für MHC als auch für TZM vorteil hafterweise möglichst im Bereich von 0 < S < 6000 pg/g, wobei W (Wolfram) als typische Verunreinigung vorzugsweise einen Anteil von < 300 pg/g aufweist. Grundsätzlich können die Anodenscheibe und die Lagerbüchse aus unter schiedlichen Materialien sein. Gemäß einer Weiterbildung sind die Anoden scheibe und die Lagerbüchse beide aus Molybdän oder beide aus derselben Molybdän-basierten Legierung gebildet. Dies ist insbesondere für die stoff schlüssige Verbindung (insbesondere bei einer Reibschweißverbindung oder einer Strahlschweißverbindung) aufgrund der gleichen Materialeigenschaften beider Bauteile vorteilhaft (z.B. beide aus MHC oder auch beide aus TZM). Wie für den Fachmann klar ist, wird auch dann noch von „derselben“ Molybdän- basierten Legierungen gesprochen, wenn geringfügige Unterschiede in der Zu sammensetzung vorliegen. Nur „geringfügige Unterschiede“ sind insbesondere gegeben, wenn beide Zusammensetzungen innerhalb der Spezifikation der be treffenden Mo-basierten Legierung (z.B. für TZM oder MHC wie oberhalb ange geben) liegen. Falls es keine Spezifikation der betreffenden Legierung gibt, lie- gen in der Regel auch dann nur „geringfügige Unterschiede“ vor, wenn der Un terschied im Mo-Gehalt < 2 Gew.%, von nichtmetallischen Legierungsbestand teilen (z.B. C, N) in Summe < 0,2 Gew.% sowie von ggf. vorhandenen metalli schen Legierungsbestandteilen in Summe < 1 Gew.% sowie von W < 0,05 Gew.% beträgt (bzgl. Verunreinigungen gelten insbesondere die oberhalb für TZM und MHC angegebenen Bereiche).
Gemäß einer Weiterbildung ist die stoffschlüssige Verbindung eine Reibschweißverbindung. Dies ist vorteilhaft im Hinblick auf die Erzielung einer hohen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit der Verbindung. Ferner besteht bei der Reibschweiß-Technologie eine hohe Reproduzierbarkeit und ein hoher Automatisierungsgrad. Vorzugsweise wird beim Reibschweißen auf ein Zu satzmaterial (wie z.B. ein Schweißzusatzmaterial, ein zwischen die zu verbin denden Bauteile eingefügter Einsatz, etc.) verzichtet, d.h. insbesondere ist in dem Bereich der stoffschlüssigen Verbindung kein von dem Grundmaterial der verbundenen Bauteile abweichendes Fremdmaterial bzw. keine abweichende Zusammensetzung nachweisbar. Mo-basierte Legierungen sind beim Reib schweißen gegenüber reinem Mo bevorzugt. Noch bevorzugter sind die beiden Bauteile (Anodenscheibe, Lagerbüchse) aus derselben Mo-basierten Legierung gebildet (z.B. beide aus MHC, beide aus TZM, etc.), da hierdurch eine beson- ders hohe Stabilität und Qualität der Reibschweißverbindung erzielbar ist. Be sonders vorteilhaft beim Reibschweißen (im Vergleich zu z.B. einem Strahl schweißverfahren) ist, dass in der Verbindungszone keine Schmelze ausgebil det, sondern das Grundmaterial der zu verbindenden Bauteile nur plastifiziert wird. Dadurch wird im Bereich der Verbindungszone ein vorteilhaftes Gefüge eingestellt und eine homogene Verteilung der enthaltenen Elemen te/Verbindungen (z.B. einer Mo-basierten Legierung) bleibt erhalten.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Anodenscheibe zu der Seite der Lager büchse hin einen Verbindungsstutzen auf, der mit seiner Innenwand das Loch der Anodenscheibe verlängert und der gegenüber der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe vorsteht. Dabei ist zumindest ein axialer Abschnitt der Innenwand des Verbindungsstutzens umlaufend als Flüssigmetalllager- Lauffläche ausgebildet und bildet (neben der Innenwand des Lochs der Ano denscheibe und ggf. weiteren Abschnitten) einen Teil des zweiten Teilabschnit tes der Flüssigmetalllager-Außenschale. Weiterhin ist die stoffschlüssige Ver bindung zwischen dem vorstehenden Verbindungsstutzen der Anodenscheibe und der Lagerbüchse ausgebildet. Durch den vorstehenden Verbindungsstut zen, der insbesondere eine rohrförmige oder hohlzylindrische Grundform auf weisen kann, ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Anodenscheibe und der Lagerbüchse leichter herstellbar. Dies gilt insbesondere im Falle einer Reibschweißverbindung (aber auch bei einer Strahlschweißverbindung), da damit im Wesentlichen zwei gleich ausgebildete, miteinander zu verbindende Abschnitte (insbesondere mit umlaufender Wand und ringförmigen Stirnflächen) bereitgestellt werden. Ferner ist damit die stoffschlüssige Verbindung von der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe beabstandet, z.B. um 2-50 mm, vorzugsweise um 5-30 mm (Bereiche gelten für die fertiggestellte stoff schlüssige Verbindung). Dadurch wird ausreichend Platz für die Ausbildung der Schweißwulst, die sich insbesondere bei einer Reibschweißverbindung durch den Materialfluss während der Stauchphase ausbildet, geschaffen (die Schweißwulst wird anschließend durch Nachbearbeiten entfernt). Die ursprüng liche axiale Länge des Verbindungsstutzens (vor Herstellung der stoffschlüssi gen Verbindung) ist insbesondere bei Anwendung eines Reibschweißprozesses länger als die später gewünschte Position der stoffschlüssigen Verbindung zu wählen, z.B. um 3-8 mm länger, da während des Reibschweißens eine Stau chung erfolgt. Der Verbindungsstutzen ist vorzugsweise monolithisch mit der Anodenscheibe ausgebildet, was hinsichtlich der Stabilität und der Laufeigen schaften vorteilhaft ist. Vorzugsweise wird der Verbindungsstutzen im Rahmen eines Schmiedeprozesses monolithisch aus dem Material der Anodenscheibe geformt. Alternativ kann er auch stoffschlüssig mit der Anodenscheibe verbun den sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Loch der Anodenscheibe als Durchgangs- Loch ausgebildet und die Anodenscheibe weist gegenüberliegend von der Seite der Lagerbüchse einen Verlängerungsstutzen auf, der mit seiner Innenwand das Durchgangs-Loch der Anodenscheibe verlängert und der gegenüber der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe vorsteht. Dabei ist zumin dest ein axialer Abschnitt der Innenwand des Verlängerungsstutzens umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet und bildet (neben der Innenwand des Lochs der Anodenscheibe, ggf. des Verbindungsstutzens und ggf. weiteren Abschnitten) einen Teil des zweiten Teilabschnittes der Flüssigmetalllager- Außenschale. Die Vorsehung eines solchen Verlängerungsstutzens ist hinsicht lich der Stabilität und der Laufeigenschaften der Flüssigmetalllager- Außenschale vorteilhaft (insbesondere da dann zu beiden Seiten der Anoden scheibe eine Verlängerung der Flüssigmetalllager-Lauffläche bereitgestellt wird). Entsprechend wie bei dem Verbindungsstutzen kann auch der Verlänge rungsstutzen vorzugweise monolithisch mit der Anodenscheibe ausgebildet sein (z.B. durch Schmieden ausgeformt) oder alternativ mit der Anodenscheibe stoffschlüssig verbunden sein. Vorzugsweise bildet der Verlängerungsstutzen und ggf. vorhandene, weitere Bauteile dann den Abschluss der Flüssigmetallla- ger-Außenschale. Alternativ kann aber auch - je nach Aufbau des Flüssigme talllagers - mit dem Verlängerungsstutzen nochmals eine Lagerbüchse stoff schlüssig verbunden sein und damit die Flüssigmetalllager-Außenschale noch weiter verlängern, wobei hier die Varianten, die für die Verbindung des Verbin dungsstutzens mit der Lagerbüchse beschrieben sind, ebenfalls möglich sind.
Gemäß einer Weiterbildung nimmt die Dicke (gemessen in axialer Richtung) der Anodenscheibe in radialer Richtung zu der Drehachse hin zu. Diese Dickenzu- nähme kann kontinuierlich (mit konstanter Steigung oder auch mit einem variie renden Dickenprofil) oder auch in einer oder mehreren Stufen erfolgen. Damit kann die im Bereich der Brennbahn erzeugte Wärme zu der Drehachse hin auf einen zunehmend größeren Materialquerschnitt aufgeteilt und dann über die große Fläche der Flüssigmetalllager-Außenschale effektiv (über das in dem La gerspalt angeordnete Flüssigmetall und dann über die Flüssigmetalllager innenschale und die daran angrenzenden Bauteile, wie z.B. über einen Zapfen mit Kühlmittel-Kühlung) abgeführt werden. Durch diesen radial nach Innen zu nehmenden Materialquerschnitt werden lokal auftretende Temperaturspitzen sowie eine zu hohe Temperatur im Bereich des Flüssigmetalllagers, die zu ei ner Schädigung des Flüssigmetalllagers sowie zu Spannungen in der Anoden scheibe führen könnten, vermieden. Gemäß einer Weiterbildung beträgt die Dickenzunahme ausgehend von einer Referenzdicke radial mittig gemessen im Bereich einer abgeschrägten Brennbahnfläche bis hin zu der Dicke im Bereich des Loches 30 -300%, insbesondere 50-260%, noch bevorzugter 70-230% (ei ne Dickenzunahme um 100% entspricht einer Verdoppelung der Dicke). Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Wärmeabführung wie auch hinsichtlich der Stabilität und der Laufeigenschaften der Flüssigmetalllager-Außenschale. Als „Dicke im Bereich des Loches“ wird die Dicke der Anodenscheibe direkt im Bereich der Innenwand des Loches bezeichnet, wobei bei dieser Dickenmes sung auch ggf. monolithisch mit der Anodenscheibe ausgebildete Abschnitte, wie z.B. ein monolithisch ausgebildeter Verbindungsstutzen und/oder ein mono lithisch ausgebildeter Verlängerungsstutzen, einbezogen werden, nicht aber nur stoffschlüssig mit der Anodenscheibe verbundene Bauteile (z.B. die Lagerbüch se). Vorzugsweise nimmt aber auch die Anodenscheibe ohne Einbeziehung der ggf. monolithisch ausgebildeten Verbindungsstutzen und/oder Verlängerungs stutzen in der Dicke radial nach innen zu. Insbesondere beträgt letztere Dicken zunahme 20-150%, bevorzugt 30-100%, wobei bei Vorsehung eines monolithi schen Verbindungs- und/oder Verlängerungsstutzens an Stelle des „Bereiches des Loches“ ein unmittelbar (radial) außerhalb von diesem Verbindungs und/oder Verlängerungsstutzen gelegener Referenzbereich herangezogen wird.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Anodenscheibe mehrere, umlaufend gleichmäßig angeordnete und durch die Dicke der Anodenscheibe hindurchge- hende Schlitze auf, die sich jeweils über einen radialen Abschnitt im Bereich zwischen einem Außenumfang der Anodenscheibe und dem Loch der Anoden scheibe erstrecken. Derartige Schlitze ermöglichen im Einsatz bei den auftre tenden erhöhten Temperaturen eine Dehnung des Materials der Anodenschei be, ohne dass es sich dabei plastisch verformt, wodurch Spannungen innerhalb des Materials und damit eine Materialermüdung bzw. ein Materialversagen vermieden werden. Derartige Schlitze können sich dabei exakt radial erstre cken. Alternativ können sie aber auch leicht schräg zur radialen Richtung ver laufen (z.B. mit einem Winkel von >0° bis zu 5°). Der Verlauf in Bezug auf die radiale Richtung, der Verlauf in Bezug auf die axiale Richtung (auch hier kön nen sie leicht geneigt zur axialen Richtung verlaufen, z.B. geneigt um einen Winkel im Bereich von 1°-10°), und/oder die Breite der Schlitze kann/können gemäß einer vorgegebenen Kontur variieren. Ferner können an mindestens einem Ende der Schlitze (vorzugsweise am radial inneren Ende) auch Ab schlussbohrungen, die sich vorzugsweise durch die Dicke der Anodenscheibe hindurch erstrecken und jeweils einen größeren Durchmesser als die Breite der einmündenden Schlitze aufweisen, und/oder eine umlaufende Rinne vorgese hen sein. Vorzugsweise erstrecken sich die Schlitze bis ganz zum Außenum fang, d.h. öffnen sich in den Außenumfang, während sie radial außerhalb von dem Loch der Anodenscheibe enden. Vorzugsweise sind alle Schlitze symmet risch zueinander in Bezug auf die Drehachse ausgebildet. Die Vorsehung sol cher Schlitze ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Dicke der Anoden scheibe zu der Drehachse hin zunimmt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Röntgendrehanodensystem aufwei send eine erfindungsgemäße Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetall- lager-Außenschale, die ggf. auch gemäß einer oder mehrerer der oberhalb er läuterten Weiterbildungen ausgebildet sein kann, sowie eine in die Flüssigme talllager-Außenschale eingesetzte Flüssigmetalllager-Innenschale, die eine Flüssigmetlalllager-Lauffläche aufweist, wobei die Flüssigmetalllager- Außenschale und die Flüssigmetalllager-Innenschale derart aufeinander abge stimmt sind, dass zwischen Ihnen ein definierter Lagerspalt ausgebildet ist (Spaltbreite insbesondere wie oberhalb angegeben). Gemäß einer Weiterbildung ist im Bereich von zumindest einem axialen Endab schnitt (axial: bezogen auf die Drehachse) der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Innenschale mindestens ein umlaufendes mechani sches Begrenzungselement vorgesehen, welches im Einsatz ein Fließen von in dem Lagerspalt befindlichen Flüssigmetall in axialer Richtung begrenzt. Das mechanische Begrenzungselement dient folglich der Rückhaltung des Flüssig metalls in dem (axial) inneren Bereich des Flüssigmetalllagers, wo es zur Erzie lung der Gleitwirkung benötigt wird. Das mechanische Begrenzungselement kann insbesondere durch eines oder mehrere der folgenden Varianten gebildet sein:
- eine durch mehrere Stufen ausgebildete Fortsetzung des Lagerspalts, zur Bildung einer Labyrinth-Dichtung (vgl. z.B. JP 2012/084400 A);
- eine oder mehrere umlaufende (durchgehende oder auch in Umfangsrich tung über kurze Abschnitte unterbrochene) Rippe(n) an der einen (z.B. stationären, inneren) Komponente und entsprechende Rinne(n) an der anderen (z.B. rotierenden, äußeren) Komponente des Flüssigmetalllagers, wodurch gleichzeitig auch eine axiale Fixierung des Flüssigmetalllagers bereitgestellt wird; im Falle mehrerer Rippen können diese auch wechsel seitig an der einen und an der anderen Komponente vorgesehen sein;
- einem Dichtungsring aus einem Material (z.B. eine Eisen, Nickel und Ko balt enthaltende Legierung), das mit dem in dem Lagerspalt befindlichen Flüssigmetall in Wechselwirkung tritt (vgl. z.B. DE 10 2015204488 A1).
Gemäß einer Weiterbildung ist im Bereich von zumindest einem axialen Endab schnitt der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außen- schale und/oder der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager- Innenschale eine umlaufende Beschichtung vorgesehen, welche eine Benet zung durch das im Einsatz in dem Lagerspalt befindliche Flüssigmetall unter drückt. Hierdurch wird das Flüssigmetall im (axial) inneren Bereich des Flüs sigmetalllagers, wo es zur Erzielung der Gleitwirkung benötigt wird, zurückge halten. Geeignete Beschichtungen sind u.a. Titanoxide, Aluminiumoxide, Titan nitride sowie Mischungen daraus, insbesondere CrN (Chromnitrid), Cr2N (Dich- romnitrid), Cr203 (Chrom (Ill)-Oxid), TiAIN (Titanaluminiumnitrid) (vgl. z.B. US 2017/0169984 A1). Die Beschichtung kann sowohl an der Flüssigmetalllager innenschale als auch an der Flüssigmetalllager-Außenschale vorgesehen sein. Ggf. kann sie aber auch nur an einer (z.B. nur an der Flüssigmetalllager innenschale) vorgesehen sein. Ferner kann sie auch im Bereich von mindes tens einem mechanischen Begrenzungselement vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Flüssigmetalllager-Innenschale auf einem Zapfen, der durch die Lagerbüchse hindurch bis zumindest in das Loch der Anodenscheibe geführt ist, ausgebildet. Vorzugsweise weist der Zapfen min destens einen Kühlmittelkanal zur Führung von Kühlmittel auf. Falls das Loch als Durchgangsloch ausgebildet ist, erstreckt sich der Zapfen vorzugsweise ebenfalls vollständig durch dieses Durchgangsloch. Der Zapfen kann dabei vor zugsweise aus einem Bauteil (einteilig) ausgebildet sein, da dies im Hinblick auf dessen Stabilität und die Dichtheit des Kühlmittelkanals von Vorteil ist. Alterna tiv kann er auch aus mehreren Bauteilen, die form- und/oder stoffschlüssig mit einander verbunden sind, ausgebildet sein, was insbesondere bei einem kom plexen Aufbau des Flüssigmetalllagers vorteilhaft sein kann. Durch den mindes tens einen Kühlmittelkanal, der sich vorzugsweise über mindestens 80% der Länge des Zapfens erstreckt, kann im Einsatz die Wärme effektiv abgeführt werden.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder die Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Innenschale mindestens zwei umlaufende, oberflächlich strukturierte Laufabschnitte auf, die in axialer Richtung voneinander beab- standet sind. Vorzugsweise ist zwischen den mindestens zwei oberflächlich strukturierten Laufabschnitten mindestens ein Abschnitt ohne oberflächlicher Strukturierung vorgesehen. In dem Bereich der oberflächlich strukturierten Laufabschnitte sammelt sich im Einsatz bei Rotation der rotierenden Kompo nente Flüssigmetall an und bildet einen erhöhten Druck aus. Hierdurch wird ei ne besonders gute Gleitwirkung erzielt. Gleichzeitig wird eine Fixierung der ro tierenden und der statischen Komponenten in radialer Richtung relativ zueinan der erzielt. Durch die Vorsehung von mindestens zwei solcher Laufabschnitte wird auch eine Verkippung sowie eine Vibration der Röntgendrehanode im Ein- satz vermieden. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn ein oberflächlich struktu rierter Laufabschnitt in einem vollständig innerhalb der Anodenscheibe ange ordneten Bereich ausgebildet ist oder zumindest mit diesem Bereich überlap pend ausgebildet ist. Die oberflächliche Strukturierung kann dabei z.B. als Ril lenmuster (aufweisend z.B. einen oder mehrere Teilbereiche mit jeweils parallel zueinander verlaufenden Rillen) ausgebildet sein. Die oberflächlich strukturier ten Laufabschnitte können grundsätzlich sowohl an der Flüssigmetalllager innenschale wie auch an der -Außenschale vorgesehen sein. Grundsätzlich können oberflächlich strukturierte Laufabschnitte auch gegenüberliegend von einander (bezogen auf den Lagerspalt) ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch, dass im Bereich eines oberflächlich strukturierten Laufabschnittes einer Kom ponente (z.B. an der Flüssigmetalllager-Innenschale) die andere Komponente in dem gegenüberliegenden Bereich keinen oberflächlich strukturierten Laufab schnitt aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer er findungsgemäßen Röntgendrehanode, die ggf. auch gemäß einer oder mehre rer der oberhalb erläuterten Weiterbildungen und Varianten ausgebildet sein kann, wobei das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist:
• Bereitstellen einer Anodenscheibe aus Mo oder einer Mo-basierten Legie rung,
• Bereitstellen eines Stumpfes aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung,
• Stoffschlüssiges Verbinden des Stumpfes mit der Anodenscheibe derart, dass der Stumpf bezogen auf eine Drehachse der Anodenscheibe zentral angeordnet ist, und
• Mechanisches Bearbeiten der Anodenscheibe und des Stumpfes zur Aus bildung der Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetalllager- Außenschale, wobei der Stumpf die Lagerbüchse mit der Flüssigmetallla- ger-Lauffläche bildet und die Anodenscheibe das Loch aufweist, bei dem zumindest ein axialer Abschnitt der Innenwand umlaufend als Flüssigme talllager-Lauffläche ausgebildet ist.
Das Verfahren stellt eine kostengünstige und prozesssichere Herstellungsroute zur Herstellung erfindungsgemäßer Röntgendrehanoden her. Weiterhin sind die oberhalb erläuterten Weiterbildungen und Varianten auch bei dem erfindungs gemäßen Verfahren durch Vorsehen entsprechender Verfahrensschritte mög lich, wobei die oberhalb erläuterten Vorteile erzielt werden.
Vorzugsweise erfolgt das Bereitstellen der Anodenscheibe und/oder des Stumpfes im Rahmen einer pulvermetallurgischen Herstellung. Diese umfasst insbesondere das Pressen und Sintern entsprechender Ausgangspulver, vor zugsweise auch ein Umformen (z.B. Walzen, Schmieden, Rundwalzen, Rund schmieden, etc.). Ein Loch in der Anodenscheibe und/oder ein Durchgangsloch in der Lagerbüchse können bereits vor dem stoffschlüssigen Verbinden vorge formt sein, wodurch das mechanische Nachbearbeiten weniger aufwändig ist. Alternativ können sie auch im Rahmen des mechanischen Bearbeitens heraus gearbeitet werden (d.h. die Anodenscheibe und/oder der Stumpf weisen vor dem stoffschlüssigen Verbinden noch kein Loch bzw. Durchgangsloch auf). Vorzugsweise erfolgt das stoffschlüssige Verbinden durch Reibschweißen. Ein Brennbahnbelag kann bereits vor dem stoffschlüssigen Verbinden auf der Ano denscheibe aufgebracht sein (z.B. im Rahmen einer pulvermetallurgischen Her stellung im Verbund), er kann aber auch nachträglich aufgebracht sein, z.B. durch thermisches Spritzen (z.B. Vakuum-Plasma-Spritzen), durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD: Chemical vapour deposition) oder durch physi kalische Gasphasenabscheidung (PVD: physical vapour deposition). Weitere Anbauteile, Beschichtungen, Beläge, etc., die eingangs erläutert wurden, kön nen im Rahmen der Herstellung ebenfalls noch ergänzt werden.
Weitere Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 : Eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Röntgen drehanode im Querschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform; Fig. 2A, 2B: zwei Querschnittsansichten der Röntgendrehanode aus Fig. 1 zur Veranschaulichung der Herstellung; Fig. 3: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer zweiten Ausführungsform; Fig. 4: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer dritten Ausführungsform; Fig. 5: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer vierten Ausführungsform; Fig. 6: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer fünften Ausführungsform; Fig. 7: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer sechsten Ausführungsform;
Fig. 8: eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Röntgendreh anode gemäß einer siebten Ausführungsform; und Fig. 9: eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Röntgendreh anodensystems mit eingesetztem Zapfen, wobei oberhalb der Querschnittsansicht zwei Varianten A und B des Zapfens, jeweils einmal in Draufsicht und einmal in Querschnittsansicht, dargestellt sind.
Die Fig. 1-9 stellen schematische Darstellungen dar, in denen die Größenver- hältnisse nicht exakt wiedergegeben sowie die Details der axial endseitigen Ab schlüsse der Flüssigmetalllager-Außenschale bzw. des Flüssigmetalllagers nicht dargestellt sind. Für die axial endseitigen Abschlüsse des Flüssigmetallla gers sind - wie in dem Fachgebiet bekannt ist - unterschiedliche Ausgestaltun gen möglich, wobei Beispiele hierfür unter anderem in den DE 102015204 488 A1 , US 2016/0086760 A1 , US 5,204,890 A,
JP 2012/084400 A und US 2017/0169984 A1 gezeigt sind. D.h. in den Darstel lungen der Fig. 1-9 können sich die Lagerbüchse, die Anodenscheibe und der Zapfen in axialer Richtung auch noch weiter - mit einem ggf. abweichenden Verlauf bzw. abweichender Ausgestaltung - fortsetzen und/oder auch noch mit weiteren Bauteilen verbunden sein.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 1 und 2A, 2B eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgendrehanode 2 erläutert. Diese weist eine in ihrer Grundform rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 4 (axiale Richtung) ausgebildete Anodenscheibe 5 aus MHC auf. Auf einer Seite der Anodenschei be 5 befindet sich eine umlaufende Brennbahn 6 mit einem Brennbahnbelag aus einer W-Re-Legierung (W: 95 Gew.%; Re: 5 Gew.%). In dem Bereich der Brennbahn 6 weist die Anodenscheibe 5 eine umlaufende abgeschrägte Brenn bahnfläche 10 auf, die relativ zu einer sich senkrecht zu der Drehachse 4 er streckenden Referenzebene 8 (mit einem Winkel a) abgewinkelt ist. Durch die Anodenscheibe 5 erstreckt sich ein Loch 12 dessen Innenwand 14 als Flüssig- metalllager-Lauffläche ausgebildet ist. Gegenüberliegend von der Seite der Brennbahn 6 weist die Anodenscheibe einen monolithisch ausgebildeten, aus dem Material der Anodenscheibe 5 angeschmiedeten, rohrförmigen Verbin dungsstutzen 16 auf, der gegenüber der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe 5 vorsteht. Seine Innenwand 18 verlängert das Loch 12 der Anodenscheibe 5 und ist ebenfalls als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebil det. Eine rohrförmige Lagerbüchse 20, die ebenfalls aus MHC ausgebildet ist, ist mit ihrer axialen (ringförmigen) Stirnfläche über eine stoffschlüssige Verbin dung 21 mit der entsprechend ausgebildeten, axialen (ringförmigen) Stirnfläche des Verbindungsstutzens 16 verbunden. Die Innenwand 22 der Lagerbüchse 20 ist umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet. Die Flüssigmetall- lager-Laufflächen der Anodenscheibe 5, des Verbindungsstutzens 16 und der Lagerbüchse 20 bilden gemeinsam eine durchgehende, sich vorliegend linear in Form einer Zylinder-Mantelfläche erstreckende Flüssigmetalllager-Lauffläche, die Teil einer Flüssigmetalllager-Außenschale bildet. In Fig. 2A sind die Lager büchse 20 und die Anodenscheibe 5 noch als separate Bauteile und in Fig. 2B schließlich nach Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung 21 über Reib schweißen (und einer mechanischen Nachbearbeitung) gezeigt. Wie erläutert, führt das Reibschweißen in axialer Richtung zu einer Verkürzung des Verbin dungsstutzens 16 und der Lagerbüchse 20 im Bereich der Verbindungszone.
Bei der nachfolgenden Beschreibung weiterer Ausführungsformen werden - soweit gleiche oder weitgehend gleiche Bauteile betroffen sind - gleiche Be zugszeichen verwendet und es wird vorwiegend auf die Unterschiede gegen über der ersten Ausführungsform eingegangen.
Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform nimmt die (in axialer Rich- tung gemessene) Dicke der Anodenscheibe 5‘ radial nach innen kontinuierlich zu. Insbesondere nimmt die Dicke ausgehend von einer Referenzdicke dR (ra dial mittig gemessen im Bereich der abgeschrägten Brennbahnfläche 10) bis hin zu der maximalen Dicke du im Bereich des Loches 12 (unter Einbeziehung aller monolithisch mit der Anodenscheibe 5‘ verbundenen Bauteile, d.h. vorlie gend des Verbindungsstutzens 16) um 30 -300% zu. Ferner nimmt die Dicke ausgehend von der Referenzdicke dR auch ohne Einbeziehung des monoli thisch ausgebildeten Verbindungsstutzens 16 radial nach innen um 20-150% zu, wobei die hierfür maßgebliche Dicke di im inneren Bereich dann unmittelbar (radial) außerhalb von dem Verbindungsstutzen 16 gemessen wird.
Bei der in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsform weist die Anodenscheibe 5 - im Vergleich zu der ersten Ausführungsform - auf der Seite gegenüberliegend von der Lagerbüchse 20 einen Verlängerungsstutzen 24 auf, der mit seiner In nenwand 26 das (Durchgangs-)Loch 12 der Anodenscheibe 5 verlängert und der gegenüber der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe 5 vor steht. Die Innenwand 26 des Verlängerungsstutzens 24 ist ebenfalls umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet und bildet damit Teil der Flüssig- metalllager-Außenschale. Ferner ist in Fig. 4 die Dickenzunahme ausgehend von der Referenzdicke dR bis hin zu der maximalen Dicke du (unter Einbezie hung aller monolithisch mit der Anodenscheibe 5 verbundenen Bauteile, d.h. vorliegend des Verbindungsstutzens 16 und des Verlängerungsstutzens 24) eingezeichnet. Bei der in Fig. 5 gezeigten vierten Ausführungsform weist die Anodenscheibe 5“ - im Vergleich zu der ersten Ausführungsform - keinen Ver bindungsstutzen auf. Vielmehr ist die Lagerbüchse 20 über eine Diffusionsver bindung direkt mit der planaren Fläche der Anodenscheibe 5“ verbunden.
Bei den in Fig. 6-9 gezeigten Ausführungsformen ist die Lagerbüchse 20 auf der gleichen Seite wie die Brennbahn 6 angeordnet. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform ist bei der fünften, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform der Verbindungsstutzen 16‘ an der Anodenscheibe 5‘“ ebenfalls auf der Seite der Brennbahn 6 angeordnet. Bei der in Fig. 7 gezeigten sechsten Ausführungsform weist die Anodenscheibe 5“ - ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform (s. Fig. 5) - keinen Verbindungsstutzen auf. Vielmehr ist die Lagerbüchse 20 über eine Diffusionsverbindung direkt mit der planaren Fläche der Anodenscheibe 5“ verbunden. Die in Fig. 8 gezeigte siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dadurch, dass die Dicke der Anodenscheibe 5““radial nach innen kontinuierlich zunimmt.
In Fig. 9 ist ein Röntgendrehanodensystem 27 dargestellt, bei welchem die Röntgendrehanode 2 mit Anodenscheibe 5‘“, Verbindungsstutzen 16‘ und La gerbüchse 20 entsprechend wie bei der fünften Ausführungsform (vgl. Fig. 6) ausgebildet ist. Ferner dargestellt ist ein innenseitig eingesetzter Zapfen 28, auf dem die Flüssigmetalllager-Innenschale ausgebildet ist. Zwischen der Flüssig- metalllager-lnnenschale des Zapfens 28 und der Flüssigmetalllager- Außenschale ist ein Lagerspalt 30 ausgebildet, der im Einsatz mit (nicht darge stelltem) Flüssigmetall gefüllt ist. Oberhalb der Röntgendrehanode sind zwei beispielhafte Varianten für die Ausbildung des Zapfens 28 dargestellt. Gemäß der ersten Variante A (oben in Fig. 9 links einmal in Draufsicht und rechts davon sowie innerhalb der Röntgendrehanode 2 einmal im Querschnitt dargestellt), weist der Zapfen 28 eine rohrförmige Grundform und außenseitig eine glatte Oberfläche auf. Gemäß der zweiten Variante B (oben in Fig. 9 als dritte Figur von links einmal in Draufsicht und rechts davon einmal im Querschnitt darge stellt), weist der Zapfen 28‘ zwei oberflächlich strukturierte und in axialer Rich tung voneinander beabstandete Laufabschnitte 32, 34 auf. Der Zapfen 28‘ weist ferner einen innenseitig verlaufenden Kühlmittelkanal 36 auf, der ein in ein Sackloch 38 eingesetztes Kühlmittelrohr 40 aufweist, wobei der Durchmesser des Kühlmittelrohrs 40 entsprechend kleiner als derjenige des Sacklochs 38 gewählt ist, so dass Kühlmittel z.B. über das Kühlmittelrohr 40 einströmen und außenseitig über den zwischen dem Kühlmittelrohr 40 und dem Sackloch 38 gebildeten, ringförmigen Kanal zurückströmen kann.
Herstellungsbeispiele:
1. Beispiel: Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemä ßen Röntgendrehanode, bei welcher die Anodenscheibe und die Lagerbüchse aus MHC ausgebildet sind und über Reibschweißen miteinander verbunden werden, beschrieben. Zunächst werden die Anodenscheibe und ein Stumpf mit zylindrischer Grundform pulvermetallurgisch hergestellt, was die Schritte des Bereitstellens entsprechender Ausgangspulver (für MHC), des Pressens und des Sinterns, sowie vorliegend noch ein nachfolgendes Umformen (Schmieden der Anodenscheibe; Radialschmieden des Stumpfes), umfasst. Der Stumpf wird mechanisch bearbeitet, so dass er eine rohrförmige Grundform aufweist, um die spätere Lagerbüchse zu bilden. Ferner wird im Rahmen des Umformens (Schmieden) an die Anodenscheibe zentral an einer Seite ein vorstehender rohrförmiger Verbindungsstutzen (mit einer axialen Länge von 40 mm) ange schmiedet, d.h. der Verbindungsstutzen wird monolithisch aus dem Material der Anodenscheibe ausgeformt. Sowohl die Stirnfläche des rohrförmigen Stumpfes als auch die Stirnfläche des Verbindungsstutzens weisen eine zu verschwei ßende Fläche von 2.000 mm2 und einen Innen-Durchmesser von 44 mm auf (der Außen-Durchmesser ist hierdurch bestimmt). Vorliegend wird eine Reib schweißmaschine mit direktem Antrieb der Spindel eingesetzt. Der rohrförmige Stumpf wird in die (nicht rotierende) Halterung der Reibschweißmaschine und die Anodenscheibe wird in die (rotierende) Spindelhalterung eingespannt. An schließend wir die Anodenscheibe in Rotation versetzt (2.000 Umdrehungen pro Minute) und mit einem Reibdruck von 30 bar gegen den Stumpf gedrückt. Anschließend wird der Antrieb der Anodenscheibe gestoppt und der Stauch druck auf 65 bar erhöht. Die Gesamtreibzeit, d.h. innerhalb der eine Relativ- Rotationsbewegung zwischen Anodenscheibe und Stumpf stattfindet, beträgt 3 Sekunden. Es folgt dann noch eine mechanische Bearbeitung zur Herstellung der Endgeometrie, wobei der rohrförmige Stumpf dann die Lagerbüchse bildet. Weitere Anbauteile, Beschichtungen, Beläge, etc. können - wie eingangs erläu tert - noch ergänzt werden. In Abhängigkeit von der Geometrie der Bauteile und der Bearbeitungsschritte kann ein Spannungsarmglühen (z.B. bei Temperatu ren im Bereich von 1.100°C - 1.300°C) einmalig oder mehrmalig während des Herstellungsverfahrens eingeschoben werden,
2. Beispiel: Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemä ßen Röntgendrehanode, bei welcher die Anodenscheibe und die Lagerbüchse aus TZM ausgebildet sind und über Reibschweißen miteinander verbunden werden, beschrieben. Es werden die gleichen Schritte und Parameter wie bei dem 1. Beispiel mit Ausnahme der nachfolgenden Abweichungen angewendet: Es werden Ausgangspulver zur Herstellung der Anodenscheibe und des Stump fes aus TZM (und nicht aus MHC) bereitgestellt. Der eingesetzte Reibdruck be trägt nur 25 bar und der Stauchdruck wird nach Beendigung des Antriebs der Anodenscheibe auf nur 60 bar erhöht.
3. Beispiel: Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren einer erfindungsgemä ßen Röntgendrehanode, bei welcher die Anodenscheibe und die Lagerbüchse aus TZM ausgebildet sind und über Diffusionsbonden miteinander verbunden werden, beschrieben. Zunächst wird in gleicher Weise wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Anodenscheibe und ein rohrförmiger Stumpf aus TZM hergestellt. Sowohl die (zu verbindende) Stirnfläche des rohrförmigen Stumpfes als auch die (zu verbindende) Stirnfläche des Verbindungsstutzens werden me chanisch bearbeitet und anschließend geschliffen und/oder poliert, um eine glatte planare Oberfläche bereitzustellen. Anschließend wird das Diffusions bonden der beiden Bauteile mit aneinander anliegenden Stirnflächen bei einer Temperatur von 1.700°C, einem Druck von 10 MPa und einer Dauer von min destens 5 Minuten (vorzugsweise im Bereich von 6-15 Minuten) durchgeführt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausfüh rungsbeispiele beschränkt. Insbesondere muss die Flüssigmetalllager- Lauffläche der Flüssigmetalllager-Außenschale nicht zwingend einen geradlini gen Verlauf in Form einer Zylinder-Mantelfläche aufweisen, sondern sie kann auch, wie eingangs erläutert, einen stufenförmigen Verlauf, eine umlaufende Rippe, etc., aufweisen, wobei dann typischerweise die Flüssigmetalllager innenschale einen entsprechend angepassten Verlauf aufweist.

Claims

Ansprüche
Röntgendrehanode mit integrierter Flüssigmetalllager-Außenschale, auf weisend eine Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung mit einem im Bereich der Drehachse (4) zentral ausgebildeten und sich in axialer Richtung zumindest durch einen Teil der Anodenschei be (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) hindurch erstreckenden Loch (12) und eine Lagerbüchse (20) aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung, wobei die Innenwand (22) der Lagerbüchse (20) zumindest über einen axialen Abschnitt derselben umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet ist und einen ersten Teilabschnitt der Flüssigmetalllager- Außenschale bildet, und wobei die Flüssigmetalllager-Außenschale durch den ersten und ei nen daran angrenzenden zweiten Teilabschnitt gebildet wird und eine durchgehende Flüssigmetalllager-Lauffläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbüchse (20) derart über eine stoffschlüssige Verbindung (21) mit der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) verbunden ist, dass die In nenwand (22) der Lagerbüchse (20) das Loch (12) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) fortsetzt, und dass zumindest ein axialer Abschnitt einer Innenwand (14) des Lochs (12) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) umlaufend als Flüssigmetalllager- Lauffläche ausgebildet ist und zumindest einen Teil des zweiten Teilab schnittes der Flüssigmetalllager-Außenschale bildet.
Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (21) eine über Diffusionsbonden hergestellte Verbindung, eine Reibschweißverbindung oder eine Strahlschweißverbin dung ist.
Röntgendrehanode gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mo-basierte(n) Legierung(en) MHC und/oder TZM ist/sind, wobei MHC die nachfolgende Zusammensetzung aufweist: - einen Hf-Gehalt von 1,00 - 1,30 Gew.%,
- einen C-Gehalt von 500-1.200 pg/g,
- Rest Mo, wobei der Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen metallischen Verunrei nigungen < 5000 mg/g ist und der Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen durch H, N und O in Summe < 1000 mg/g ist; und wobei TZM die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:
- einen Ti-Gehalt von 0,40-0,55 Gew.%,
- einen Zr-Gehalt von 0,06-0,12 Gew.%,
- einen C-Gehalt von 50-500 mg/g,
- Rest Mo, wobei der Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen metallischen Verunrei nigungen < 5000 mg/g ist und der Gehalt an gegebenenfalls vorhandenen Verunreinigungen durch H, C, N und O in Summe < 1500 mg/g ist.
Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) und die Lagerbüchse (20) beide aus Molybdän oder beide aus derselben Mo- lybdän-basierten Legierung gebildet sind.
Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (21) eine Reibschweißverbindung ist.
Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenscheibe (5; 5‘; 5‘“) zu der Seite der Lagerbüchse (20) hin einen Verbindungsstutzen (16; 16‘) aufweist, der mit seiner Innenwand (18) das Loch (12) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5‘“) verlängert und der gegenüber der außenseitig umliegenden Fläche der Anodenscheibe (5; 5‘; 5‘“) vorsteht, dass zumindest ein axialer Abschnitt der Innenwand (18) des Verbindungsstutzens (16; 16‘) umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet ist und einen Teil des zweiten Teilabschnittes der Flüssigmetalllager-Außenschale bildet und dass die stoffschlüssige Verbindung (21) zwischen dem vorstehenden Verbin dungsstutzen (16; 16‘) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5‘“) und der Lagerbüch se (20) ausgebildet ist.
7. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (12) der Anodenscheibe (5) als Durchgangs-Loch ausgebildet ist, dass die Anodenscheibe (5) gegenüber liegend von der Seite der Lagerbüchse (20) einen Verlängerungsstutzen (24) aufweist, der mit seiner Innenwand (26) das Durchgangs-Loch (12) der Anodenscheibe (5) verlängert und der gegenüber der außenseitig um liegenden Fläche der Anodenscheibe (5) vorsteht, dass zumindest ein axialer Abschnitt der Innenwand (26) des Verlängerungsstutzens (24) um laufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet ist und einen Teil des zweiten Teilabschnittes der Flüssigmetalllager-Außenschale bildet.
8. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Anodenscheibe (5‘; 5““) in radialer Richtung zu der Drehachse (4) hin zunimmt, wobei die Dickenzu nahme ausgehend von einer Referenzdicke (dR) radial mittig gemessen im Bereich einer abgeschrägten Brennbahnfläche (10) bis hin zu der Dicke (du) im Bereich des Loches (12) 30 -300% beträgt.
9. Röntgendrehanode gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) mehrere, umlaufend gleichmäßig angeordnete und durch die Dicke der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) hindurchgehende Schlitze aufweist, die sich jeweils über einen radialen Abschnitt im Bereich zwischen einem Au ßenumfang der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) und dem Loch (12) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) erstrecken.
10. Röntgendrehanodensystem aufweisend eine Röntgendrehanode mit inte grierter Flüssigmetalllager-Außenschale gemäß einem der vorangehenden Ansprüche sowie eine in die Flüssigmetalllager-Außenschale eingesetzte Flüssigmetalllager-Innenschale, die eine Flüssigmetlalllager-Lauffläche aufweist, wobei die Flüssigmetalllager-Außenschale und die Flüssigmetall- lager-lnnenschale derart aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen Ihnen ein definierter Lagerspalt (30) ausgebildet ist.
11. Röntgendrehanodensystem gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, dass im Bereich von zumindest einem axialen Endabschnitt der Flüs- sigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Innenschale mindestens ein umlaufendes mechanisches Begrenzungselement vorge sehen ist, welches im Einsatz ein Fließen von in dem Lagerspalt (30) be findlichen Flüssigmetall in axialer Richtung begrenzt.
12. Röntgendrehanodensystem gemäß Anspruch 10 oder 11 , dadurch ge kennzeichnet, dass im Bereich von zumindest einem axialen Endabschnitt der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder der Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager- Innenschale eine umlaufende Beschichtung vorgesehen ist, welche eine Benetzung durch das im Einsatz in dem Lagerspalt (30) befindliche Flüs sigmetall unterdrückt.
13. Röntgendrehanodensystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetalllager-Innenschale auf ei nem Zapfen (28‘), der durch die Lagerbüchse (20) hindurch bis zumindest in das Loch (12) der Anodenscheibe (5“‘) geführt ist, ausgebildet ist.
14. Röntgendrehanodensystem gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigmetalllager-Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Außenschale und/oder die Flüssigmetalllager- Lauffläche an der Flüssigmetalllager-Innenschale mindestens zwei umlau fende, oberflächlich strukturierte Laufabschnitte (32, 34) aufweist, die in axialer Richtung voneinander beabstandet sind.
15. Verfahren zum Herstellen einer Röntgendrehanode gemäß einem der An sprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch nachfolgende Schritte: • Bereitstellen einer Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) aus Mo oder einer Mo-basierten Legierung,
• Bereitstellen eines Stumpfes aus Mo oder einer Mo-basierten Legie rung,
• Stoffschlüssiges Verbinden des Stumpfes mit der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) derart, dass der Stumpf bezogen auf eine Drehachse (4) der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) zentral angeordnet ist, und
• Mechanisches Bearbeiten der Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) und des Stumpfes zur Ausbildung der Röntgendrehanode (2) mit inte grierter Flüssigmetalllager-Außenschale, wobei der Stumpf die La gerbüchse (20) mit der Flüssigmetalllager-Lauffläche bildet und die Anodenscheibe (5; 5‘; 5“; 5‘“; 5““) das Loch (12) aufweist, bei dem zumindest ein axialer Abschnitt der Innenwand (14) umlaufend als Flüssigmetalllager-Lauffläche ausgebildet ist.
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