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WO2023193030A1 - Rotorbauteil für eine röntgendrehanode - Google Patents

Rotorbauteil für eine röntgendrehanode Download PDF

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WO2023193030A1
WO2023193030A1 PCT/AT2023/060013 AT2023060013W WO2023193030A1 WO 2023193030 A1 WO2023193030 A1 WO 2023193030A1 AT 2023060013 W AT2023060013 W AT 2023060013W WO 2023193030 A1 WO2023193030 A1 WO 2023193030A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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spray coating
coating
carrier body
rotor component
based alloy
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/AT2023/060013
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian BIENERT
Michael O'sullivan
Bernhard Lang
Dietmar Sprenger
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Plansee SE
Original Assignee
Plansee SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to DE112023001813.8T priority patent/DE112023001813A5/de
Priority to US18/854,636 priority patent/US20250226171A1/en
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    • H01J2235/1026—Means (motors) for driving the target (anode)

Definitions

  • the present invention relates to a rotor component for a rotating X-ray anode, and a method for producing a rotor component for a rotating X-ray anode.
  • a rotor for a rotating X-ray anode is rotatably mounted within a vacuum housing and is connected to the rotating X-ray anode in a rotationally fixed manner.
  • the rotor forms an electric motor with a stator, which causes the rotating X-ray anode within the vacuum housing to rotate when the stator is connected to a power supply.
  • the rotor for the X-ray rotating anode usually consists of a copper cylinder that encloses a tubular iron core. It is disadvantageous that the materials required for the electric drive have different thermal expansion coefficients, so that they have to be attached to one another in order to withstand the temperature fluctuations that occur in the X-ray tube while maintaining a stable arrangement of the rotor.
  • rotor components made of ferromagnetic material e.g. steel
  • a coating of copper or a copper alloy are primarily manufactured by back-casting.
  • Back-casting is the melt-metallurgical application of a material to a carrier body, whereby the carrier body is always in a solid state for the process parameters used.
  • a solid bulk-shaped support body made of steel for example, is inserted into a graphite mold. It is then cast behind with a second material, consisting of a melt made of, for example, copper or a copper alloy.
  • the melting point for pure For example, copper heats at 1083°C.
  • connection surfaces with a good direct connection of the copper or copper alloy to the carrier body This means that no additional connection surfaces, such as when soldering, have to be created.
  • the disadvantage of this process is the relatively high temperature of the melt, which acts on the carrier body, especially on the connecting surface between the carrier body and the coating. This high temperature leads to the formation of a transition zone between the copper or copper alloy coating and the carrier body.
  • the transition zone is formed by the melting or dissolution of the carrier body material in the copper or copper alloy applied by back-casting, i.e. the material on the surface of the carrier body is dissolved and diffuses into the coating, so that there are no homogeneous material properties in the transition zone.
  • the cooled rotor component shows a microstructure (recognizable, for example, in a scanning microscope image in a cross section) consisting of a carrier body, a coating and a transition zone between the two materials.
  • mechanical processing takes place after the copper or copper alloy melt has solidified.
  • Post-processing of the coated rotor component by turning, milling, cutting, etc. up to the final component geometry is referred to as a "top-down" machining strategy, i.e. when machining, the effective direction of machining runs from "top to bottom” - ablative or subtractive from the higher-level to the concrete - e.g. from the fully back-cast component through machining to the final construction geometry.
  • top-down machining strategy i.e. when machining, the effective direction of machining runs from "top to bottom" - ablative or subtractive from the higher-level to the concrete - e.g. from the fully back-cast component through machining to the final construction geometry.
  • Due to the mechanical processing the final structural geometry of the rotor component can only be represented in a rotationally symmetrical manner, since individual milling of non-rotationally symmetrical geometries is very time-consuming and cost-intensive.
  • the object of the present invention is to provide an improved rotor component for a rotating X-ray anode, in particular a rotor component in which the electrical conductivity of both the coating and in the area of the connecting surface between the carrier body and the spray coating is improved. Furthermore, the task is to The present invention aims to provide an improved method for producing such a rotor component.
  • a rotor component for an X-ray rotating anode which has a carrier body and a spray coating, the carrier body being made of refractory metal, a refractory metal-based alloy, Fe, an Fe-based alloy or combinations thereof, and the spray coating consists of Cu or a Cu-based alloy, wherein the carrier body is cohesively connected to the spray coating at least in sections on a connecting surface, characterized in that the microstructure of the rotor component has no transition zone on the connecting surface between the carrier body and spray coating, according to claim 1 .
  • a method for producing the rotor component is specified with the features of claim 9.
  • the inventors have found that in the transition zone, which forms between the carrier body and the coating during back-casting, different material properties of the binding partners are present.
  • individual components of the carrier body material can diffuse beyond the transition zone into the coating and influence the material properties of the coating.
  • These changed material properties both in the transition zone and in the coating
  • the conductivity of copper or a copper alloy in the coating produced by back-casting, as well as in the transition zone is reduced compared to a "pure" coating (made of copper or copper alloy).
  • the electrical conductivity of the copper can be fully utilized, since there is no reduction in conductivity due to portions of dissolved carrier material in the spray coating.
  • the invention enables a resource-saving use of copper or copper alloy, for example by directly applying the spray coating with little or no post-processing of the coating (“bottom-up” approach to processing, ie during processing or production the effective direction of the processing is building up or additive from "bottom to top” - through small units to the final product - in contrast to the "top-down” processing strategy mentioned above).
  • the layer thickness of the spray coating can be reduced compared to the layer thickness in the back-casting process (saving resources) and yet the rotor component according to the invention can achieve the same rotational performance.
  • the method according to the invention it is possible to apply Cu or Cu-based alloy layers to more complicated geometries or geometries for rotor components that do not necessarily have to be rotationally symmetrical can also be considered.
  • the rotor component has a support body and a spray coating.
  • the rotor component must be suitable for an X-ray rotating anode in order to withstand the loads in the X-ray tube. For example, there should be no imbalances.
  • the rotor component can be the rotating part of a rotor that drives the rotating X-ray anode.
  • the rotor component can also be a component of a rotor that is connected to other components, for example in a cohesive or form-fitting manner, in order to drive the rotating X-ray anode.
  • the carrier body is made of a material consisting of a refractory metal, a refractory metal-based alloy, Fe, an Fe-based alloy (including steel), or combinations thereof.
  • Refractory metal refers to the high-melting, base metals of the 5th subgroup (vanadium, niobium and tantalum) and the 6th subgroup (chromium, molybdenum and tungsten). Its melting point is above that of platinum (1772°C).
  • a refractory metal-based alloy can be understood as meaning a combination of several pure refractory metals (e.g. W and Mo), as well as alloys thereof (e.g. W-Re) and/or compounds thereof.
  • a refractory metal-based alloy is understood to mean an alloy that contains at least 50% by weight, in particular at least 80% by weight, particularly preferably at least 90% by weight of a refractory metal or several refractory metals.
  • Mo and W as well as Mo-based alloys and W-based alloys are particularly suitable.
  • Mo or W-based alloy the proportion of Mo (or W) is ⁇ 50% by weight, preferably ⁇ 80% by weight, in particular ⁇ 90% by weight or ⁇ 95% by weight.
  • Molybdenum has a very high melting point, low thermal expansion and high thermal conductivity, which is why Mo or a Mo-based alloy is particularly advantageous (also from a cost perspective).
  • Tungsten has the highest melting point of all metals, a very low coefficient of thermal expansion and high dimensional stability. Furthermore, and particularly from a cost perspective, a support body made of a combination of steel and Mo is particularly suitable. Sections made of steel and sections made of Mo.
  • An Fe-based alloy is understood to mean alloys with. ⁇ 50% by weight of Fe, in particular ⁇ 80% by weight of Fe, particularly preferably ⁇ 90% by weight or ⁇ 95% by weight of Fe.
  • steel preferably with ⁇ 97% by weight of Fe, is preferred for the support body.
  • the spray coating according to the invention is understood to mean a coating which is applied by means of thermal spray processes, such as plasma spraying (in atmosphere, under protective gas or under low pressure), powder flame spraying, high-velocity flame spraying (HVOF, derived from
  • High velocity oxygen fuel detonation spraying (flame shock spraying), laser spraying and cold gas spraying (CGS, derived from cold gas spraying).
  • CGS cold gas spraying
  • a common feature of all thermal spray processes is the interaction of thermal and kinetic energy.
  • the coating material is heated, for example in a spray torch, (thermal energy) and/or accelerated to high speeds (kinetic energy).
  • a particularly preferred coating of the present invention is cold gas spraying (CGS) coating.
  • An alternative embodiment is plasma spraying.
  • Cold gas spraying is a coating process in which powder particles with very high kinetic and low thermal energy are applied to a carrier body.
  • the spray coating is made of Cu or a Cu-based alloy.
  • Cu-based alloy is understood to mean alloys with Cu, where Cu represents the main component and the proportion of Cu is ⁇ 50% by weight, preferably ⁇ 70% by weight, particularly preferably ⁇ 80% by weight.
  • copper alloys are CuZn (Cu: copper, Zn: zinc), CuZnSi (Si: silicon), CuMg (Mg: magnesium), CuAl (Al: aluminum), CuBe (Be: beryllium), CuCrZr (Cr: chromium, Zr : zirconium) and CuZr.
  • Cu or the Cu alloys typically have unavoidable impurities. In Cu or a Cu alloy composition, for example, these are the elements iron, nitrogen and oxygen.
  • the spray coating of the present invention may therefore contain corresponding impurities, particularly of the aforementioned elements.
  • the elements oxygen, iron and nitrogen are in the Spray coating according to the invention is preferably present in a maximum of the following amounts: ⁇ 1000 ⁇ g / g oxygen, ⁇ 500 ⁇ g / g iron and ⁇ 200 ⁇ g / g nitrogen.
  • the preferred content is ⁇ 500 ⁇ g/g, more preferably ⁇ 250 ⁇ g/g, particularly preferably the oxygen content of the coating is between 5 and 210 ⁇ g/g.
  • the nitrogen content is preferably ⁇ 200 ⁇ g/g nitrogen, more preferably ⁇ 100 ⁇ g/g nitrogen.
  • the nitrogen content is particularly preferably between 0.5 and 50 ⁇ g/g.
  • the oxygen and nitrogen content in the spray coating should be kept as low as possible. On the one hand, this can positively influence the processability of the powder for spray coating. On the other hand, the formation of pores in the spray coating is avoided.
  • the iron content should be as low as possible and preferably have ⁇ 500 ⁇ g/g iron. More preferably, the iron content is ⁇ 250 ⁇ g/g.
  • the iron content of the coating is particularly preferably ⁇ 100 ⁇ g/g, most preferably between 0.5 and 50 ⁇ g/g, since Fe dissolved in the Cu or in the Cu alloy reduces the conductivity of the spray coating.
  • the spray coating according to the invention preferably has a relative density of ⁇ 95%, in particular ⁇ 97% or 98% of the theoretical density of Cu or the Cu-based alloy.
  • a high relative density ensures high electrical conductivity.
  • the determination of density follows Archimedes' principle, which describes the relationship between mass, volume and density of a solid immersed in liquid. With the help of the so-called buoyancy method, the weight, minus the buoyancy force, is determined and the density is calculated from this and the weight of air.
  • the relative density is the measured density, based on the theoretical density of the respective material.
  • the theoretical density of a material corresponds to the density of a non-porous, 100% dense material.
  • the carrier body is turned out after spray coating, so that only the coating remains and can be measured.
  • the spray coating can extend completely or in sections over the carrier body.
  • the spray coating can also cover components of a rotor adjacent to the carrier body. These components can be connected to the carrier body, for example, in a materially or positively locking manner.
  • the carrier body is materially connected to the spray coating at least in sections via a connecting surface.
  • the connecting surface is located between a surface or a region of a surface of the carrier body and a surface or a region of a surface of the spray coating and connects the carrier body to the spray coating in a materially bonded manner.
  • the carrier body is inextricably and permanently connected to the spray coating.
  • the rotor part according to the invention has no transition zone on the connecting surface between the carrier body and the spray coating.
  • a transition zone is to be understood as meaning a zone of melted interfaces or a diffusion zone that arise at the transition between a material of a carrier body and a material of a coating, for example when back-casting the carrier body with Cu or with a Cu alloy can.
  • the material on the surface of the carrier body is melted, for example due to high temperatures, and diffuses into the coating.
  • the material of the coating also diffuses into the carrier body.
  • a Cu layer and an Fe layer may form a common layer in an intermediate transition zone (typically with a gradient of compositions with a high Fe content towards the side of the Fe layer and a high Cu content towards the side the Cu layer), i.e. there is typically no homogeneous material in a transition zone.
  • Such a transition zone normally forms during back-casting, as described above.
  • No transition zone means that the surface structure of the carrier body and the surface structure of the spray coating can be clearly delineated, that is, the two materials border one another directly at a connecting surface. Basically, no mass transfer takes place between the two materials, that is, there is no possible transition zone can no longer be detected or is completely missing.
  • the surface structure of the carrier body can still have a slight surface roughness (Ra) or surface unevenness at the connecting surface (see Fig. 4a). Such a surface roughness does not represent a transition zone, since the material of a carrier body is still clear can be demarcated against the spray coating.
  • the roughness of the surface can be measured tactilely or optically. During tactile measurement, the surface is also measured a measuring probe for roughness measurement using the touch step method (line roughness) according to DIN EN ISO 4287.
  • the invention described here eliminates the disadvantages identified by the inventors of the transition zone that forms between the carrier body and the coating during back-casting.
  • Material properties in the coating, such as the conductivity of copper, are severely impaired both by the appearance of a transition zone and by possible contamination.
  • “no transition zone” means that the material of the spray coating directly adjoins the material of the carrier body at the connecting surface.
  • the electrical conductivity across the connecting surface is determined exclusively by the material of the spray coating and the material of the carrier body, not but negatively affected by a transition zone or impurities in the coating with typically lower electrical conductivity.
  • spray coating has the advantages that the layer thickness is low compared to the back-casting process, and more complicated geometries can also be considered for rotor components that are not necessarily rotationally symmetrical must be.
  • the spray coating is a cold gas spraying (CGS) coating.
  • CGS cold gas spraying
  • the spray coating was applied to the carrier body using cold gas spraying, it can be seen under the microscope that the coating consists of individual particles.
  • the particles in a coating applied by cold gas spraying do not show a melting phase and can still be clearly seen in the deposited coating.
  • the particles undergo deformation due to the high kinetic impact energy, so that the coating comprises, at least in some areas, cold-formed Cu particles or Cu-based alloy particles.
  • Cold deformation is understood to mean the metallurgical definition, namely that the particles are deformed when they hit the carrier body under conditions (temperature / time) that do not lead to recrystallization.
  • a cold-formed structure is characterized by a characteristic dislocation structure, as is familiar to every expert and described in detail in specialist books.
  • the dislocation structure can be made visible, for example, by a TEM (transmission electron microscopy) examination.
  • the aspect ratio is determined metallographically by image analysis using a line cutting method (see ASTM E112-96). To do this, grindings are first made, which are embedded in an embedding agent, for example an epoxy resin.
  • the samples are prepared metallographically, which means that the cross-section can be examined later.
  • the preparation includes the following steps: sanding, for example with bonded SiC paper with grain sizes between 220 and 1200; Polishing with diamond suspension with 3 ⁇ m grit; final polishing with an OPS (oxide polishing suspension) with a grain size of 0.04 ⁇ m;
  • the aspect ratio can be determined via the width-height ratio of the particles using scanning electron microscopy.
  • the spray coating is recrystallized or recovered after cold spray coating by annealing and has a fine-grained and more equiaxial microstructure, which differs significantly from a coating by back molding.
  • the cold gas spray coating shows a recrystallized microstructure of the Cu particles or Cu-based alloy particles with an average grain size of ⁇ 150 ⁇ m, preferably ⁇ 100 ⁇ m, more preferably ⁇ 50 ⁇ m, particularly preferably between 1 ⁇ m and 10 ⁇ m .
  • the average grain size can be easily evaluated using a line cutting method on a light microscope image on a metallographic longitudinal section (forming direction and normal direction span the image plane).
  • the longitudinal section is prepared using etching to make the grain boundaries visible.
  • image section 240 x 100 ⁇ m five lines are placed in the image at equidistant distances from edge to edge of the image and the maximum grain size is measured in both directions (forming and normal direction) and the mean value ((a+b)/2 ) taken. Recrystallization increases the electrical conductivity of the rotor component according to the invention. In addition, the layer adhesion of the copper or the Cu-based alloy to the carrier material is improved.
  • the layer thickness of the spray coating is preferably between 0.025 mm and 5 cm.
  • the thickness is particularly advantageous between 0.1 mm and 4 mm, more preferably between 0.5 mm and 2 mm, particularly preferably between 0.8 mm and 1.2 mm.
  • the layer can be made up of one layer or preferably of a plurality of layer layers.
  • the layer thickness can be determined using a scanning electron microscope. Here, a metallographic section is placed perpendicular to the plane of the intermediate layer and the layer thickness is then measured in a scanning electron microscope at a suitable magnification. The determination of the layer thickness should be carried out at representative areas of the section. At least ten different, representative locations must be examined with regard to their layer thickness and an average value must be created, which provides a value for the average thickness of the coating.
  • the spray coating has an electrical conductivity of ⁇ 26 MS/m (megasiemens per meter).
  • the electrical conductivity is preferably ⁇ 40 MS/m, more preferably ⁇ 50 MS/m, particularly preferably ⁇ 55 MS/m.
  • the electrical conductivity is measured according to DIN EN 16813 (2017).
  • the rotor component according to the invention shows good adhesive strength of the spray coating.
  • the adhesive strength was measured according to ASTM C633-13 (2016).
  • the adhesive strength of the rotor component according to the invention is >10 MPa, preferably >20 MPa.
  • the present invention further relates to a method for producing a rotor component for an X-ray rotating anode, which has a carrier body and a spray coating and is characterized by the following steps:
  • a carrier body consisting of refractory metal, a refractory metal-based alloy, Fe, an Fe-based alloy or combinations thereof,
  • the spray coating is applied via cold gas spraying (CGS: cold gas spraying).
  • CGS cold gas spraying
  • powder particles with very high kinetic energy and low thermal energy are applied to a carrier body.
  • a process gas under high pressure for example air, helium (He), nitrogen (N 2 ), water vapor or mixtures thereof
  • He helium
  • N 2 nitrogen
  • a typical nozzle shape is the Laval nozzle.
  • gas speeds of, for example, 300 to 1200 m/s (meters per second) (for N 2 ) or up to 2500 m/s (for He) can be achieved.
  • the coating material is, for example, injected into the gas stream in front of the narrowest cross section of the convergent-divergent nozzle, which forms part of the spray gun, typically accelerated to a speed of 300 to 1200 m/s and deposited on a carrier body. Heating the gas in front of the convergent-divergent nozzle increases the flow speed of the gas and thus also the particle speed as the gas expands in the nozzle.
  • cold gas spraying according to the invention uses a gas temperature of room temperature (RT), in particular 20 ° C, to 1000 ° C. Cold gas spraying can be used to spray particularly ductile materials with face-centered cubic and hexagonal close-packed grids into dense, well-adhering layers.
  • cold gas spraying is used to apply a metallic layer to a metallic carrier body.
  • the layers are built up in layers from the individual particles of the coating material.
  • the adhesion of the coating material to the carrier body and the cohesion between the particles of the coating material are crucial for the quality of a cold gas spray layer.
  • adhesion both in the area of the connecting surface between the coating material and the carrier body, as well as between the particles of the coating material, is an interaction of several physical and chemical adhesion mechanisms. Due to the low process temperature, the powder is not melted during cold gas spraying, but rather hits the carrier body to be coated in its non-melted state, which results in a layer being built up.
  • the cold gas spraying takes place at a pressure between 10 and 100 bar, preferably between 20 to 80 bar, particularly preferably between 30 to 60 bar, at a gas temperature between room temperature (RT) and 1000 ° C (room temperature is in particular 20°C).
  • the gas temperature is preferably between 300 and 1000°C, particularly preferably between 400 and 800°C.
  • the rotor component is intended to anneal the rotor component in a vacuum or under a protective gas atmosphere after the coating step.
  • This process step improves the electrical conductivity of the coating and reduces internal stresses in the coating.
  • the rotor component is preferably annealed at 400 to 750 ° C for up to 5 hours. Annealing at 500 to 600 ° C for 0.5 to 3 hours is further preferred.
  • the carrier body is surface-treated before the coating step.
  • a chemical or physical surface treatment can be carried out. This can be surface treatment with alcohol, sandblasting, etc. Surface treatment using a powder jet is preferred. This enables better adhesion of the cold gas spray coating to the carrier body.
  • the coating material is formed from particles.
  • a variety of particles is called powder.
  • a large number of powder particles can be converted into powder granules by granulation.
  • the size of the powder particles or powder granulate particles is referred to as particle size and is usually measured using laser diffractometry. The measurement results are given as a distribution curve.
  • the d 50 value indicates the average particle size. D 50 means that 50% by volume of the particles are smaller than the specified value.
  • the d 50 value is measured using laser diffractometry using the standard (ISO 13320-2009). Further advantageous ranges are 10 ⁇ m ⁇ d 50 ⁇ 100 ⁇ m or 15 ⁇ m ⁇ d 50 ⁇ 80 ⁇ m.
  • the spray coating can be applied in several layers of the powdery Cu or several layers of the powdery Cu-based alloy.
  • the final thickness of the coating is between 25 ⁇ m and 5 cm.
  • the layer thickness is determined using conventional metallographic methods.
  • Fig. 1 schematic representation of an overview image of an X-ray tube with a
  • Fig. 2 Scanning electromicroscopic representation of the transition zone between
  • Fig. 3 Scanning electromicroscopic representation of the transition zone between
  • Fig. 4a Scanning electromicroscopic representation of the transition zone between
  • Fig. 4b Scanning electromicroscopic representation of the transition zone between
  • Fig. 5 Scanning electromicroscopic representation of the copper coating in sample No. 2 according to the invention (100x magnification) before the annealing step;
  • Fig. 6 Light microscopic representation of the copper coating in sample No. 2 according to the invention (200x magnification) before the annealing step after etching;
  • Fig. 7 Light microscopic representation of the copper coating in sample No. 2 according to the invention (200x magnification) after the annealing step and after etching;
  • Fig. 8 Light micrograph of the copper coating in sample No. 2 according to the invention after the annealing step and etching (50x magnification);
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of an X-ray tube with a rotor and a rotating X-ray anode as is known in the prior art.
  • An X-ray tube usually consists of a glass bulb (5) with a vacuum interior (4).
  • a cathode (3) with a heating coil (6) which emits electrons (7).
  • the cathode (3) Opposite the cathode (3) is the X-ray rotating anode (2), which comprises an anode plate (11) which is connected to the rotor (1) of an electric motor by a shaft (12).
  • a stator (9, 10) is arranged outside the glass bulb (5).
  • the stator (9,10) When connected to electricity, the stator (9,10) generates a magnetic field rotating around the glass bulb (5), which exerts a torque on the rotor (1) and thus causes the X-ray rotating anode (2) to rotate.
  • the rotor (1) and the X-ray rotating anode (2) are located in a high vacuum (4) in a glass bulb (5).
  • the electrons (7) emitted by the cathode (3) are accelerated towards the anode plate and, when they hit the anode plate, generate x-rays (8) by deceleration, which leave the x-ray tube through a radiation window in the glass bulb.
  • Sample No. 1 was manufactured according to the prior art using the back-casting method.
  • a steel pipe with a composition of 0.08-0.15 wt.% C, 1.00 wt.% Si, 1.50 wt.% Mn, 0.040 wt.% P, 0.030 wt.% S, 11, 5 to 13.5 wt.% Cr, balance Fe and common impurities with a length of 103 mm, an outer diameter of 62 mm and an inner diameter of 44 mm are provided.
  • This steel pipe was inserted into a graphite mold and then back-cast with a copper melt (with at least 99.95% by weight of Cu, the rest of the usual impurities, in total a maximum of 0.05% by weight). The steel pipe was then turned off so that the copper coating (on the outer surface of the steel pipe) was 2 mm thick.
  • Cu powder was provided for Sample No. 2 according to the invention. 99.95 atom% Cu and 28 ⁇ g/g C, ⁇ 10 ⁇ g/g Fe, 4 ⁇ g/g H, ⁇ 5 ⁇ g/g N and 201 ⁇ g/g O.
  • the average particle size d 50 was 26.53 pm
  • a steel component with a composition of 0.20-0.22 wt.% C, 0.55 wt.% Si, 1.60 wt.% Mn, 0.025 wt.% P, 0.025 wt.% S, 0.55 wt.% Cu, balance Fe and common impurities with a diameter of 25 mm and a height of 7 mm were provided and the surface was pre-cleaned.
  • the steel component was then coated with the Cu powder using a cold gas spray process.
  • the following cold gas spray process parameters were used: pressure 32 bar, gas temperature 400°C, process gas N 2 .
  • the sample was annealed at 550 ° C for 1 hour in a high vacuum. The coating was machined to 1 mm so that the total thickness of the sample was 8 mm.
  • sample No. 1 had a conductivity of 24 MS/m.
  • the electrical conductivity of sample No. 2 was 56 MS/m.
  • the electrical conductivity is 58 MS/m (according to IACS). Consequently, the cold gas spray-coated steel component has a conductivity that is almost twice as high as the steel component produced by backcasting.
  • the sample according to the invention has approximately the electrical conductivity of pure copper.
  • micrographs were created whose image surface was at a 90o angle to the coating plane and thus the two Depict basic materials and their interfaces. These polished sections were examined in a scanning electron microscope with 100x and 500x magnification and images were taken. On the other hand, light micrographs of the sections were also taken, in which the sections were previously etched to show the grain structure of the spray coating.
  • Figure 2 shows the transition from steel to copper coating in a scanning electron microscope image in the cross section of sample No. 1 of the example (Cu backcast on steel) according to the prior art with a magnification of 100x.
  • the connection of the copper coating to the steel is carried out over the entire surface via a transition zone (B) and you can clearly see the loosening of the steel surface due to the back-casting with copper.
  • the transition zone (B) shows an approximate thickness of approx. 50 ⁇ m. It can be clearly seen that the copper coating has penetrated into the surface of the steel and that there are also steel components in the copper coating, i.e. both materials diffuse into each other and there are no homogeneous material properties in the transition zone.
  • Figure 3 shows the transition from steel to copper coating in a scanning electron microscope image in the cross section of sample No. 2 of the example according to the invention (cold gas spray coating on steel) with a magnification of 100x.
  • the connection of the copper coating to the steel is complete over the entire surface and no mixing of the materials can be seen, i.e. there is no transition zone.
  • Figure 4a is an enlarged image of Figure 3 and also shows the transition from steel to copper coating in a scanning electron microscope image in the cross section of sample No. 2 of the example according to the invention (cold gas spray coating on steel) with a magnification of 500x.
  • Figure 4a you can see the body made of steel (A, dark area) in the lower half of the figure, and the copper coating (C, light area) in the upper half of the figure.
  • the surface of the steel is easy to see and has unevenness. These unevennesses can be caused either by the surface treatment of the steel before cold gas spraying or by the impact with which the copper hits the steel steel surface. In the figure shown, the surface unevenness amounts to a maximum of 10 ⁇ m. However, you can clearly see that the steel surface has not been dissolved and the materials have not been mixed. A clear demarcation can be seen between the steel body (A) and the copper coating (C).
  • Figure 4b is an enlarged image of Figure 2 and also shows the transition from steel to copper coating in a scanning electron microscope image in the cross section of sample No. 1 of the example (Cu backcast on steel) according to the prior art with a magnification of 500x .
  • Figure 4b you can see the steel body (A, dark area) in the right half of the figure, as well as the copper coating (C, light area) in the left half of the figure.
  • the transition zone (B) can be clearly seen.
  • the copper has partially penetrated deeply into the steel surface.
  • the steel surface shows significant melting, so that there are parts of steel in the copper layer.
  • Figure 4c shows a line scan of the transition zone from copper to steel based on Figure 4b.
  • the element concentrations of the elements chromium, iron and copper are measured along a line starting from the copper coating (C, light area ) measured in the direction of the steel body (A, dark area).
  • the peak intensities after excitation with the Cu K (alpha) line used for evaluation are corrected and delivered iteratively in relation to the atomic number, absorption and fluorescence thus the possibility of a standard-free quantitative calculation of the elemental composition (in atom%).
  • Figure 5 shows a copper coating (C) in a scanning electron microscope image
  • Figure 6 shows the copper coating (C) in a cross-sectional light microscope image of sample No. 2 of the example according to the invention (cold gas spray coating on steel) before the annealing step with a magnification of 200x.
  • the grain boundaries were highlighted by etching the Cu particles so that the microstructure is clearly visible. You can see the elongated shape of the Cu particles and the many layers.
  • This coating differs significantly from a Cu coating using back casting (see Fig. 9).
  • Figure 7 shows the copper coating (C) in a cross-sectional light microscope image of sample No. 2 of the example according to the invention (cold gas spray coating on steel) after the annealing step with a magnification of 200x.
  • the grain boundaries were highlighted by etching the Cu particles so that the microstructure is clearly visible.
  • the fine-grained and equiaxial microstructure of the coating can be seen.
  • Figure 8 shows a copper coating (C) in a light microscope image in a cross section of sample No. 2 of the example according to the invention (cold gas spray coating on steel) after the annealing step with a magnification of 50x. This low magnification was chosen to have a direct comparison with the grain size in the backcasting process. After etching the Cu particles, a fine-grained and uniform microstructure of the copper coating (C) can be seen. The steel body (A, dark area) can also be seen.
  • Figure 9 shows a copper coating (C) in a light microscope image in a cross section of sample No. 1 of the example (Cu backcast on steel) according to the prior art with a magnification of 50x. After etching the Cu particles, it can be clearly seen that a large-grain structure of the copper coating is formed during back-casting.

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Abstract

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

Description

Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode.
Ein Rotor für eine Röntgendrehanode ist innerhalb eines Vakuumgehäuses drehbar gelagert, und mit der Röntgendrehanode drehfest verbunden. Der Rotor bildet mit einem Stator einen Elektromotor, der bei Anschluss des Stators an eine Stromversorgung die Röntgendrehanode innerhalb des Vakuumgehäuses in Rotation versetzt. Gewöhnlich besteht der Rotor für die Röntgendrehanode aus einem Kupferzylinder, der einen rohrförmigen Eisenkern umschließt. Dabei ist es nachteilig, dass die für den elektrischen Antrieb erforderlichen Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass sie aneinander befestigt werden müssen, um die in der Röntgenröhre auftretenden Temperaturschwankungen unter Beibehaltung einer stabilen Anordnung des Rotors zu überstehen.
Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift DE 19945 414 A1 bekannt, einen äußeren rotationssymmetrischen Abschnitt eines Rotors (aus z.B. Kupfer) auf einem inneren rotationssymmetrischen Abschnitt des Rotors (aus ferromagnetischem Material, z.B. Stahl) als Beschichtung aufzubringen, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Materialien zu bekommen. Dies erfolgt in der DE 19945 414 A1 durch Auftragsschweißen, insbesondere durch Laserauftragsschweißen. Beim Laserauftragsschweißen wird der aufzuschweißende Werkstoff mit einem definierten Massenstrom als Pulver auf den Grundwerkstoff aus einer Düse aufgebracht und unmittelbar anschließend durch kontinuierliche Einwirkung von Laserlicht geschmolzen, wodurch er eine Schweißverbindung mit dem Grundwerkstoff eingeht. Dabei bildet sich jedoch eine Grenzschicht, in der sich die beiden Materialien vermischen (da der Laser den Grundwerkstoff lokal aufschmilzt). Diese Grenzschicht stellt eine Diskontinuität in den Eigenschaften der jeweiligen Materialien dar.
Derzeit werden Rotorbauteile aus ferromagnetischem Material (z.B. Stahl) mit einer Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung vorrangig durch Hintergießen hergestellt. Unter Hintergießen versteht man die schmelzmetallurgische Aufbringung eines Materials auf einen Trägerkörper, wobei der Trägerkörper bei den verwendeten Prozessparametern stets im festen Aggregatszustand vorliegt. Beim Hintergießen wird beispielsweise ein fest vorliegender bulkförmiger Trägerkörper bestehend beispielsweise aus Stahl in eine Graphitform eingesetzt. Anschließend wird er mit einem zweiten Material, bestehend aus einer Schmelze aus beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, hintergossen. Der Schmelzpunkt für reines Kupfer hegt beispielsweise bei 1083°C. Durch eine gezielt gesteuerte Erstarrung der Kupferoder Kupferlegierungsschmelze lassen sich weitestgehend porenfreie Grenz- bzw.
Verbindungsflächen mit guter direkter Anbindung des Kupfers bzw. der Kupferlegierung an den Trägerkörper realisieren. Somit müssen keine weiteren Verbindungsflächen, wie beispielsweise beim Löten, realisiert werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch die relativ hohe Temperatur der Schmelze, die auf den Trägerkörper einwirkt, besonders an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Beschichtung. Diese hohe Temperatur führt nämlich dazu, dass sich eine Übergangszone zwischen der Kupfer- oder Kupferlegierungs- Beschichtung und dem Trägerkörper ausbildet. Die Übergangszone bildet sich durch das Anschmelzen bzw. Lösen des Trägerkörpermaterials in dem/der durch Hintergießen aufgebrachten Kupfer oder Kupferlegierung, d.h. das Material an der Oberfläche des Trägerkörpers wird angelöst und diffundiert in die Beschichtung, so dass keine homogenen Materialeigenschaften in der Übergangszone vorliegen. Darüber hinaus können einzelne Bestandteile des Trägerköpermaterials (beispielsweise Fe) über die Übergangszone hinaus in die Beschichtung diffundieren und so die Materialeigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Das abgekühlte Rotorbauteil zeigt nach Erstarrung des Kupfers oder der Kupferlegierung eine Mikrostruktur (erkennbar beispielsweise in einer Rastermikroskop-Aufnahme im Querschliff) bestehend aus einem Trägerkörper, einer Beschichtung sowie einer Übergangszone zwischen den beiden Materialien. Bei dem genannten Hinterguß-Verfahren erfolgt nach dem Erstarren der Kupfer- oder Kupferlegierungsschmelze eine mechanische Bearbeitung bzw.
Nachbearbeitung des beschichteten Rotorbauteils durch Drehen, Fräsen, Schneiden usw. bis hin zur finalen Bauteilgeometrie. Hier spricht man von einer „top-down" Bearbeitungsstrategie, d.h. bei der Bearbeitung verläuft die Wirkrichtung des Bearbeitens von „oben nach unten" - abtragend bzw. subtraktiv vom Übergeordneten zum Konkreten - z.B. vom voll hintergossenen Bauteil durch spanenden Abtrag hin zur finalen Baugeometrie. Die finale Baugeometrie des Rotorbauteils ist aufgrund der mechanischen Bearbeitung nur rotationssymmetrisch sinnvoll darstellbar, da Einzelfräsbearbeitungen von nicht-rotationssymmetrischen Geometrien sehr zeit- und kostenintensiv sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin ein verbessertes Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode bereitzustellen, insbesondere ein Rotorbauteil, bei dem die elektrische Leitfähigkeit sowohl der Beschichtung als auch im Bereich der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung verbessert ist. Des Weiteren besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotorbauteils bereitzustellen.
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode, welches einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung aufweist, wobei der Trägerkörper aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetall-basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon hergestellt ist, und die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung besteht, wobei der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise an einer Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur des Rotorbauteils keine Übergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist, gemäß Anspruch 1. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung des Rotorbauteils angegeben mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen, die untereinander frei kombinierbar sind.
Die Erfinder haben dabei festgestellt, dass in der Übergangszone, welche sich beim Hintergießen zwischen Trägerkörper und Beschichtung ausbildet, andere Materialeigenschaften der Bindungspartner vorliegen. Darüber hinaus können beim Hintergießen einzelne Bestandteile des Trägerkörpermaterials über die Übergangszone hinaus in die Beschichtung diffundieren und die Materialeigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Diese veränderten Materialeigenschaften (sowohl in der Übergangszone als auch in der Beschichtung) wirken sich beim Einsatz des Rotorbauteils negativ aus. Insbesondere ist die Leitfähigkeit von Kupfer oder einer Kupferlegierung in der durch Hinterguß hergestellten Beschichtung, sowie in der Übergangszone, gegenüber einer „reinen" Beschichtung (aus Kupfer oder Kupferlegierung) reduziert.
Im erfindungsgemäßen Rotorbauteil kann die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers vollumfänglich genutzt werden, da es zu keiner Reduzierung der Leitfähigkeit durch Anteile gelösten Trägermaterials in der Spritzbeschichtung kommt. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung einen Ressourcen-schonenden Einsatz von Kupfer bzw. Kupferlegierung, beispielsweise durch direktes Aufbringen der Spritzbeschichtung mit nur geringer oder ohne eine Nachbearbeitung der Beschichtung („bottom-up" Ansatz bei der Bearbeitung, d.h. bei der Bearbeitung bzw. Fertigung verläuft die Wirkrichtung der Bearbeitung aufbauend bzw. additiv von „unten nach oben" - durch kleine Einheiten bis hin zum Endprodukt - im Gegensatz zur oben genannten „top-down" Bearbeitungsstrategie). Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Spritzbeschichtung im Vergleich zur Schichtdicke im Hintergußverfahren reduziert werden (Ressouren-schonend) und dennoch kann das erfindungsgemäße Rotorbauteil die gleiche Drehleistung erzielen. Außerdem ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich Cu- oder Cu-basierte Legierungs-Schichten auch auf kompliziertere Geometrien aufzubringen bzw. es kommen auch Geometrien für Rotorbauteile in Betracht die nicht zwingend rotationssymmetrisch sein müssen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Rotorbauteil einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung auf. Insbesondere muss das Rotorbauteil für eine Röntgendrehanode geeignet sein, um den Belastungen in der Röntgenröhre standzuhalten. Beispielsweise sollte keine Unwuchten auftreten. Das Rotorbauteil kann dabei der rotierende Teil eines Rotors sein, der die Röntgendrehanode antreibt. Es kann sich beim Rotorbauteil aber auch um eine Komponente eines Rotors handeln, die mit weiteren Komponenten beispielsweise stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden ist, um die Röntgendrehanode anzutreiben.
Der Trägerkörper ist aus einem Material bestehend aus einem Refraktärmetall, einer Refraktärmetall-basierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung (inklusive Stahl) oder Kombinationen davon, hergestellt. Unter Refraktärmetall versteht man die hochschmelzenden, unedlen Metalle der 5. Nebengruppe (Vanadium, Niob und Tantal) sowie der 6. Nebengruppe (Chrom, Molybdän und Wolfram). Ihr Schmelzpunkt liegt über dem von Platin (1772°C). Unter Refraktärmetall-basierter Legierung kann eine Kombination aus mehreren reinen Refraktärmetallen (z.B. W und Mo), sowie Legierungen davon (z.B. W-Re) und/oder Verbindungen davon verstanden werden. Unter Refraktärmetall-basierter Legierung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Legierungen verstanden, die mindestens 50 Gew.%, insbesondere mindestens 80 Gew.%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.% eines Refraktärmetalls oder mehrerer Refraktärmetalle enthält. Von den Refraktärmetallen sind besonders Mo und W sowie Mo-basierte Legierungen und W-basierte Legierungen geeignet. Dabei ist in einer Mo- bzw. W-basierten Legierung der Anteil an Mo (bzw. W) ≥ 50 Gew.%, bevorzugt ≥ 80 Gew.%, insbesondere ≥ 90 Gew.% oder ≥ 95 Gew.%. Molybdän verfügt über einen sehr hohen Schmelzpunkt, eine geringe Wärmeausdehnung und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, weshalb Mo oder eine Mo-basierte Legierung besonders vorteilhaft ist (auch unter Kosten-Gesichtspunkten). Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Formbeständigkeit. Weiterhin und besonders unter Kostengesichtspunkten gut geeignet ist ein Trägerkörper aus einer Kombination von Stahl und Mo mit. Abschnitten aus Stahl und Abschnitten aus Mo.
Unter einer Fe-basierten Legierung versteht man Legierungen mit. ≥ 50 Gew.% Fe, insbesondere ≥ 80 Gew.% Fe, besonders bevorzugt ≥ 90 Gew.% oder ≥ 95 Gew.% Fe. Insbesondere wird in der vorliegenden Erfindung Stahl, vorzugsweise mit ≥ 97 Gew.% Fe, für den Trägerkörper bevorzugt.
Unter der erfindungsgemäßen Spritzbeschichtung versteht man eine Beschichtung, welche mittels thermischer Spritzprozesse aufgebracht wird, wie beispielsweise Plasmaspritzen (an Atmosphäre, unter Schutzgas oder unter niedrigem Druck), Pulverflammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF, abgeleitet von
High-Velocity-Oxygen-Fuel), Detonationsspritzen (Flammschockspritzen), Laserspritzen und Kaltgasspritzen (CGS, abgeleitet von cold gas spraying). Ein gemeinsames Merkmal aller thermischen Spritzprozes.se ist das Zusammenspiel von thermischer und kinetischer Energie. Der Beschichtungsstoff wird erhitzt, beispielsweise in einem Spritzbrenner, (thermische Energie) und/oder auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt (kinetische Energie). Eine besonders bevorzugte Beschichtung der vorliegenden Erfindung ist die Kaltgasspritz (CGS: cold gas spraying)-Beschichtung. Eine alternative Ausführungsform ist das Plasmaspritzen.
Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren bei denen Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer und geringer thermischer Energie auf einen Trägerkörper aufgebracht werden.
Die Spritzbeschichtung besteht aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung. Unter Cu-basierter Legierung versteht man Legierungen mit Cu, wobei Cu den Hauptbestandteil darstellt und der Anteil von Cu ≥ 50 Gew.%, bevorzugt ≥ 70 Gew.%, besonders bevorzugt ≥ 80 Gew.% beträgt. Beispielhaft für Kupferlegierungen sind CuZn (Cu: Kupfer, Zn: Zink), CuZnSi (Si: Silicium), CuMg (Mg: Magnesium), CuAl (Al: Aluminium), CuBe (Be: Beryllium), CuCrZr (Cr: Chrom, Zr: Zirconium) und CuZr zu nennen. Cu oder die Cu-Legierungen weisen typischerweise unvermeidbare Verunreinigungen auf. In Cu oder einer Cu -Legierungs-Zusammensetzung sind das beispielsweise die Elemente Eisen, Stickstoff und Sauerstoff. Möglich sind auch Verunreinigungen durch Kohlenstoff oder Wasserstoff. Die Spritzbeschichtung der vorliegenden Erfindung kann daher entsprechende Verunreinigungen, insbesondere der vorher genannten Elemente, aufweisen. Die Elemente Sauerstoff, Eisen und Stickstoff sind in der erfindungsgemäßen Spritzbeschichtung bevorzugt maximal in folgenden Mengen vorhanden: ≤ 1000 μg/g Sauerstoff, ≤ 500 μg/g Eisen und ≤ 200 μg/g Stickstoff. Bei Sauerstoff ist der bevorzugte Gehalt ≤ 500 μg/g, bevorzugter ≤ 250 μg/g, besonders bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt der Beschichtung zwischen 5 und 210 μg/g. Der Stickstoffgehalt liegt bevorzugt bei ≤ 200 μg/g Stickstoff, bevorzugter bei ≤ 100 μg/g Stickstoff. Besonders bevorzugt liegt der Stickstoffgehalt zwischen 0,5 und 50 μg/g. Der Gehalt an Sauerstoff und Stickstoff sollte in der Spritzbeschichtung möglichst niedrig gehalten werden. Zum einen kann dadurch die Verarbeitbarkeit des Pulvers für die Spritzbeschichtung günstig beeinflusst werden. Zum anderen wird eine Porenbildung in der Spritzbeschichtung zu vermieden. Der Eisengehalt sollte möglichst niedrig sein und bevorzugt ≤ 500 μg/g Eisen aufweisen. Bevorzugter liegt der Eisengehalt bei ≤ 250 μg/g. Besonders bevorzugt liegt der Eisengehalt der Beschichtung < 100 μg/g, am meisten bevorzugt zwischen 0,5 und 50 μg/g, da im Cu oder in der Cu-Legierung gelöstes Fe die Leitfähigkeit der Spritzbeschichtung reduziert.
Die erfindungsgemäße Spritzbeschichtung weist vorzugsweise eine relative Dichte von ≥ 95%, insbesondere ≥ 97% oder 98% der theoretischen Dichte von Cu bzw. der Cu-basierten Legierung auf. Es können also auch Poren in der Beschichtung vorliegen, die Porosität ist < 2%, aber bevorzugt kleiner 1,5 %. Eine hohe relative Dichte gewährleistet eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Bestimmung der Dichte folgt dem Prinzip des Archimedes, das die Beziehung zwischen Masse, Volumen und Dichte eines in Flüssigkeit eingetauchten Festkörpers beschreibt. Mit Hilfe der sogenannten Auftriebsmethode wird das Gewicht, vermindert um die Auftriebskraft, bestimmt und daraus sowie aus dem Gewicht an Luft die Dichte berechnet. Die relative Dichte ist dabei die gemessene Dichte, bezogen auf die theoretische Dichte des jeweiligen Werkstoffs zu verstehen. Die theoretische Dichte eines Werkstoffs entspricht der Dichte von porenfreiem, 100 % dichtem Material. In der vorliegenden Erfindung wird für die Bestimmung der Dichte der Trägerkörper nach der Spritzbeschichtung ausgedreht, so dass nur die Beschichtung verbleibt und gemessen werden kann.
Die Spritzbeschichtung kann sich ganz oder abschnittsweise über den Trägerkörper erstrecken. Die Spritzbeschichtung kann außer dem Trägerkörper auch noch an den Trägerkörper angrenzende Bauteile eines Rotors bedecken. Diese Bauteile können mit dem Trägerkörper beispielsweise stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden sein. Erfindungsgemäß ist der Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung zumindest abschnittsweise über eine Verbindungsfläche stoffschlüssig verbunden. Die Verbindungsfläche befindet sich zwischen einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche des Trägerkörpers und einer Oberfläche oder einem Bereich einer Oberfläche der Spritzbeschichtung und verbindet den Trägerkörper mit der Spritzbeschichtung stoffschlüssig. Dadurch ist der Trägerköper unlösbar und dauerhaft mit der Spritzbeschichtung verbunden.
Das erfindungsgemäße Rotorteil weist keine Übergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung auf.
Unter einer Übergangszone ist gemäß dem Stand der Technik eine Zone der angeschmolzenen Grenzflächen bzw. eine Diffusionszone zu verstehen, die am Übergang zwischen einem Material eines Trägerkörpers und einem Material einer Beschichtung, z.B. beim Hintergießen des Trägerkörpers mit Cu oder mit einer Cu-Legierung, entstehen kann. Dabei wird das Material an der Oberfläche des Trägerkörpers, beispielsweise aufgrund von hohen Temperaturen, angeschmolzen und diffundiert in die Beschichtung. Ebenso diffundiert das Material der Beschichtung in den Trägerkörper. Zum Beispiel können eine Cu-Schicht und eine Fe-Schicht in einer dazwischen liegenden Übergangszone eine gemeinsame Schicht ausbilden (typischerweise mit einem Gradienten der Zusammensetzungen mit einem hohen Fe-Anteil zu der Seite der Fe-Schicht und einem hohen Cu-Anteil zu der Seite der Cu-Schicht hin), d.h. in einer Übergangszone liegt typischerweise kein homogenes Material vor. Eine solche Übergangszone bildet sich normalerweise wie bereits oben beschrieben beim Hintergießen aus.
„Keine Übergangszone" heißt, dass die Oberflächenstruktur des Trägerkörpers und die Oberflächenstruktur der Spritzbeschichtung klar abgegrenzt werden können, d.h. die zwei Materialien grenzen unmittelbar an einer Verbindungsfläche aneinander. Dabei findet im Grunde kein Stoffaustausch zwischen den beiden Materialien statt, d.h. eine mögliche Übergangszone ist nicht mehr nachweisbar bzw. fehlt gänzlich. Dabei kann die Oberflächenstruktur des Trägerkörpers an der Verbindungsfläche noch eine geringfügige Oberflächenrauheit (Ra) bzw. Oberflächenunebenheit aufweisen (siehe Fig. 4a). Eine solche Oberflächenrauheit stellt keine Übergangszone dar, da das Material eines Trägerkörpers immer noch klar gegen die Spritzbeschichtung abgegrenzt werden kann. Die Rauheit der Oberfläche kann taktil oder optisch gemessen werden. Bei der taktilen Messung wird die Oberfläche mit einem Messtaster zur Rauhheitsmessung im Tastschrittverfahren (Linienrauheit) nach DIN EN ISO 4287 bestimmt.
Die hier beschriebene Erfindung beseitigt die von den Erfindern festgestellten Nachteile der Übergangszone, welche sich zwischen dem Trägerkörper und der Beschichtung beim Hintergießen bildet. Darüber hinaus kommt es zu keiner Verunreinigung der Beschichtung durch gelöstes Trägermaterial. Sowohl durch das Auftreten einer Übergangszone als auch durch mögliche Verunreinigungen werden Materialeigenschaften in der Beschichtung, wie beispielsweise die Leitfähigkeit von Kupfer, stark beeinträchtigt. Wie bereits oben erläutert, bedeutet „keine Übergangszone", dass das Material der Spritzbeschichtung an der Verbindungsfläche direkt an das Material des Trägerkörpers angrenzt. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit über die Verbindungsfläche ausschließlich durch das Material der Spritzbeschichtung und das Material des Trägerköpers bestimmt, nicht, aber negativ durch eine Übergangszone oder Verunreinigungen in der Beschichtung mit typischerweise niedrigerer elektrischer Leitfähigkeit beeinträchtigt. Ferner hat die Spritzbeschichtung die Vorteile, dass die Schichtdicke im Vergleich zum Hinterguß-Verfahren niedrig ist, und auch kompliziertere Geometrien für Rotorbauteile in Betracht kommen, die nicht zwangsläufig rotationssymmetrisch sein müssen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spritzbeschichtung eine Kaltgasspritz (CGS: cold gas spraying)-Beschichtung. Wenn die Spritzbeschichtung über Kaltgasspritzen auf den Trägerkörper aufgebracht wurde, ist im Mikroskop zu erkennen, dass die Beschichtung aus einzelnen Partikeln besteht. Die Partikel in einer durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Beschichtung zeigen keine Schmelzphase und sind auch in der abgeschiedenen Beschichtung noch deutlich zu erkennen. Die Partikel erfahren auf Grund der hohen kinetischen Aufprallenergie eine Deformation, so dass die Beschichtung zumindest bereichsweise kaltverformte Cu-Partikel oder Cu-basierte Legierungs-Partikel umfasst. Unter Kaltverformung ist dabei die metallkundliche Definition zu verstehen, nämlich, dass die Partikel beim Auftreffen auf dem Trägerkörper bei Bedingungen (Temperatur / Zeit) verformt werden, die zu keiner Rekristallisation führen. Ein kaltverformtes Gefüge ist durch eine charakteristische Versetzungsstruktur charakterisiert, wie dies jedem Experten geläufig bzw. auch in Fachbüchern im Detail beschrieben ist. Die Versetzungsstruktur kann man beispielsweise durch eine TEM (Transmissionselektronenmikroskopie)-Untersuchung sichtbar machen. Die kaltverformten Partikel der Beschichtung sind in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers (in lateraler Richtung) zumindest teilweise gestreckt, wobei das mittlere (Mittelwert aus zumindest 100 gestreckten Körnern) Streckungsverhältnis (grain aspect ratio = GAR; entspricht Länge dividiert durch Breite der Körner) > 1 ist. Das Streckungsverhältnis wird metallographisch durch Bildanalyse über ein Linienschnittverfahren (vgl. ASTM E112-96) bestimmt. Dafür werden zunächst Schliffe angefertigt, welche in ein Einbettmittel, beispielsweise ein Epoxidharz eingebettet werden. Nach einer Aushärtezeit werden die Proben metallographisch präpariert, d.h. es kann später eine Untersuchung über den Querschliff hinweg erfolgen. Die Präparation umfasst die Schritte: Schleifen z.B. mit festgebundenem SiC - Papier mit Körnungen zwischen 220 und 1200; Polieren mit Diamant-Suspension mit 3 μm Körnung; finales Polieren mit einer OPS (Oxid-Polier-Suspension) der Körnung 0,04 μm;
Reinigung der Proben im Ultraschallbad und Trocknung der Proben. Anschließend werden die Querschliffe angeätzt. Über Rasterelektronenmikroskopie kann das Streckungsverhältnis über das Breiten-Höhen Verhältnis der Partikel bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Spritzbeschichtung nach der Kaltgasspritz-Beschichtung mittels Glühung rekristallisiert oder erholt und weist eine feinkörnige und eher äquiaxiale Mikrostruktur auf, die sich deutlich von einer Beschichtung mittels Hinterguß unterscheidet. Dabei zeigt die Kaltgasspritz-Beschichtung nach einer Glühung eine rekristallisierte Mikrostruktur der Cu-Partikel oder Cu-basierten Legierungs-Partikel mit einer mittleren Korngröße von ≤ 150 μm, bevorzugt ≤ 100 μm, bevorzugter ≤ 50 μm, besonders bevorzugt zwischen 1 μm und 10 μm. Die mittlere Korngröße kann einfach über ein Linienschnittverfahren an einer lichtmikroskopischen Aufnahme an einem metallographischen Längsschliff (Umformrichtung und Normalrichtung spannen die Bildebene auf) ausgewertet werden. Dafür wird der Längsschliff mittels Ätzung präpariert, um die Korngrenzen sichtbar zu machen. Bei 500facher Vergrößerung (Bildausschnitt 240 x 100 μm) werden jeweils fünf Linien in äquidistanten Abständen von Bildrand zu Bildrand in das Bild gelegt und die maximale Korngröße in beide Richtungen (Umform- und Normalrichtung) ausgemessen und der Mittelwert ((a+b)/2) genommen. Durch das Rekristallisieren erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Rotorbauteils. Darüber hinaus verbessert sich die Schichthaftung des Kupfers oder der Cu-basierten Legierung an das Trägermaterial.
Die Schichtdicke der Spritzbeschichtung liegt bevorzugt zwischen 0,025 mm und 5 cm.
Insbesondere vorteilhaft liegt die Dicke zwischen 0,1 mm und 4 mm, bevorzugter zwischen 0,5 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,8 mm und 1,2 mm. Die Schicht kann dabei aus einer Schichtlage oder bevorzugt aus einer Vielzahl von Schichtlagen aufgebaut sein. Die Bestimmung der Schichtdicke kann im Rasterelektronenmikroskop erfolgen. Hierbei wird ein metallografischer Schliff senkrecht zur Ebene der Zwischenschicht gelegt und anschließend die Schichtdicke im Rasterelektronenmikroskop bei geeigneter Vergrößerung ausgemessen. Die Bestimmung der Schichtdicke sollte an repräsentativen Stellen des Schliffes durchgeführt werden. Hierbei sind mindestens zehn unterschiedliche, repräsentative Stellen bezüglich ihrer Schichtdicke zu untersuchen und ein Mittelwert zu erstellen, welcher einen Wert für die mittlere Dicke der Beschichtung liefert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Spritzbeschichtung eine elektrische Leitfähigkeit von ≥ 26 MS/m (Megasiemens pro Meter) auf. Bevorzugt ist die elektrische Leitfähigkeit ≥ 40 MS/m, bevorzugter ≥ 50 MS/m, besonders bevorzugt ≥ 55 MS/m. Die elektrische Leitfähigkeit wird gemäß DIN EN 16813 (2017) gemessen.
Das erfindungsgemäße Rotorbauteil zeigt eine gute Haftfestigkeit der Spritzbeschichtung. Dafür wurde die Haftfestigkeit gemäß ASTM C633-13 (2016) gemessen. Die Haftfestigkeit des erfindungsgemäßen Rotorbauteils liegt bei > 10 MPa, vorzugsweise > 20 MPa.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils für eine Röntgendrehanode, welche einen Trägerkörper und eine Spritzbeschichtung aufweist, und durch die folgenden Schritte charakterisiert ist:
Bereitstellen eines Trägerkörpers bestehend aus Refraktärmetall, einer Refraktärmetallbasierten Legierung, Fe, einer Fe-basierten Legierung oder Kombinationen davon,
Beschichten des Trägerkörpers mittels Spritzbeschichtung unter Einsatz eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials, so dass ein Rotorbauteil mit einer zumindest abschnittsweise stoffschlüssige Verbindung an einer Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung entsteht, wobei die Spritzbeschichtung aus Cu oder einer Cu-basierten Legierung besteht, und wobei eine Mikrostruktur des Rotorbauteil keine Übergangszone an der Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotorbauteils werden die zuvor in
Bezug auf das erfindungsgemäße Bauteil erläuterten Vorteile zuverlässig und prozesssicher erreicht. Ferner sind die zuvor erwähnten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung auch für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft.
Besonders bevorzugt ist, dass die Spritzbeschichtung über Kaltgasspritzen (CGS: cold gas spraying) aufgebracht wird. Dabei werden wie bereits oben beschrieben Pulverpartikel mit sehr hoher kinetischer Energie und geringer thermischer Energie auf einen Trägerkörper aufgebracht. Ein unter hohem Druck stehendes Prozessgas (beispielsweise Luft, Helium (He), Stickstoff (N2), Wasserdampf oder Mischungen daraus) wird mittels einer Konvergent- Divergent-Düse (auch als Überschalldüse bezeichnet) entspannt. Eine typische Düsenform stellt dabei die Laval-Düse dar. Je nach verwendetem Prozessgas sind Gasgeschwindigkeiten von beispielsweise 300 bis 1200 m/s (Meter pro Sekunde) (bei N2) bzw. bis zu 2500 m/s (bei He) erreichbar. Der Beschichtungsstoff wird dabei beispielsweise vor dem engsten Querschnitt der Konvergent-Divergent-Düse, die einen Teil der Spritzpistole bildet, in den Gasstrom injiziert, typischerweise auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1200 m/s beschleunigt und auf einem Trägerkörper abgeschieden. Ein Aufheizen des Gases vor der Konvergent-Divergent-Düse erhöht bei der Expansion des Gases in der Düse die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und somit auch die Partikelgeschwindigkeit. Typischerweise kommt beim Kaltgasspritzen gemäß der Erfindung eine Gastemperatur von Raumtemperatur (RT), insbesondere 20°C, bis 1000°C zur Anwendung. Durch Kaltgasspritzen lassen sich insbesondere duktile Werkstoffe mit kubisch flächenzentriertem und hexagonal dichtest gepacktem Gitter zu dichten, gut haftenden Schichten verspritzen. In der Regel wird Kaltgasspritzen für die Aufbringung einer metallischen Schicht auf einen metallischen Trägerkörper verwendet. Beim Kaltgasspritzen erfolgt der Schichtaufbau lagenweise aus den einzelnen Partikeln des Beschichtungsstoffs. Für die Qualität einer Kaltgasspritz-Schicht sind die Adhäsion des Beschichtungsstoffs zum Trägerkörper und die Kohäsion zwischen den Partikeln des Beschichtungsstoffs entscheidend. Grundsätzlich ist die Haftung, sowohl im Bereich der Verbindungsfläche Beschichtungsstoff / Trägerkörper, als auch zwischen den Partikeln des Beschichtungsstoffs, ein Zusammenspiel mehrerer physikalischer und chemischer Haftmechanismen. Auf Grund der geringen Prozesstemperatur wird beim Kaltgasspritzen das Pulver nicht aufgeschmolzen, sondern trifft im nicht geschmolzenen Zustand auf den zu beschichtende Trägerkörper auf, wodurch sich in Folge eine Schicht aufbaut. Durch die hohe kinetische Energie, auf Grund der hohen Geschwindigkeit der im Gasstrom bewegten Pulver, kommt es beim Auftreffen der Pulver an der Oberfläche des Trägerkörpers zu einer mechanischen Verklammerung, wobei die Verklammerung durch die Prozesstemperatur unterstützt wird. Derartig über Kaltgasspritzen hergestellte Schichten sind im Mikroskop daran zu erkennen, dass die Schicht aus einzelnen Partikeln besteht, die eine „pancake"-Form aufweisen (d.h. eine Struktur, bei der die Längen und Breiten der einzelnen Körner im Vergleich zu ihren Dicken groß ist). Die Partikel erfahren auf Grund der hohen kinetischen Aufprallenergie eine Deformation und zeigen ein Streckungsverhältnis größer 1.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung erfolgt das Kaltgasspritzen bei einem Druck zwischen 10 und 100 bar, bevorzugt zwischen 20 bis 80 bar, besonders bevorzugt zwischen 30 bis 60 bar, bei einer Gastemperatur zwischen Raumtemperatur (RT) und 1000°C (Raumtemperatur liegt insbesondere bei 20°C). Bevorzugt liegt die Gastemperatur zwischen 300 bis 1000°C, besonders bevorzugt zwischen 400 bis 800°C.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgesehen das Rotorbauteil nach dem Schritt des Beschichtens im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre zu glühen. Durch diesen Verfahrensschritt wird die elektrische Leifähigkeit der Beschichtung verbessert, sowie Eigenspannungen der Beschichtung gesenkt. Vorzugsweise wird das Rotorbauteil bei 400 bis 750°C für bis 5h geglüht. Weiter bevorzugt ist eine Glühung bei 500 bis 6OO°C für O,5 bis 3h.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Trägerkörper vor dem Schritt des Beschichtens oberflächenbehandelt wird. Dabei kann eine chemische oder physikalische Oberflächenbehandlung erfolgen. Dies kann eine Oberflächenbehandlung mit Alkohol, eine Abstrahlung usw. sein. Bevorzugt wird eine Oberflächenbehandlung mittels Pulverstrahl. Damit wird eine bessere Haftung der Kaltgasspritz-Beschichtung an den Trägerkörper ermöglicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren, sowie seine bevorzugten Ausführungsformen, werden unter anderem folgende positive Effekte erzielt:
- verbesserte Leitfähigkeit der Spritzbeschichtung des Rotorbauteils;
Senkung der Schichteigenspannung und verbesserte Haftung der Spritzbeschichtung; keine Übergangszone zwischen dem Trägerkörper und der Spritzbeschichtung, was zu einer verbesserten Leitfähigkeit über die Verbindungsfläche zwischen Trägerkörper und Spritzbeschichtung führt. Der Beschichtungsstoff ist aus Partikeln gebildet. Eine Vielzahl von Partikeln wird als Pulver bezeichnet. Eine Vielzahl von Pulverpartikeln können durch Granulation in ein Pulvergranulat übergeführt werden. Die Größe der Pulverpartikel bzw. Pulvergranulatpartikel wird als Partikelgröße bezeichnet und wird üblicherweise mittels Laser-Diffraktometrie gemessen. Die Messergebnisse werden als Verteilungskurve angegeben. Der d50-Wert gibt dabei die mittlere Partikelgröße an. D50 bedeutet, dass 50 Vol.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert. Im Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Partikel eine Partikelgröße d50 von ≥ 5 μm und ≤ 150 μm aufweisen. Der d50 Wert wird dabei mittels Laserdiffraktometrie unter Anwendung der Norm (ISO 13320-2009) gemessen. Weitere vorteilhafte Bereiche sind 10 μm ≤ d50 ≤ 100 μm oder 15 μm ≤ d50 < 80 μm.
Gemäß einem vorteilhaften Herstellungsverfahren der Erfindung kann die Spritzbeschichtung in mehreren Lagen des pulverförmigen Cu oder mehreren Lagen der pulverförmigen Cu-basierten Legierung aufbracht werden. Die Enddicke der Beschichtung liegt zwischen 25 μm und 5 cm. Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgt dabei durch übliche metallographische Verfahren.
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: schematische Darstellung eines Übersichtsbilds einer Röntgenröhre mit einer
Röntgendrehanoden im Längsschnitt gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen
Stahlkörper und Kupfer bei Probe Nr. 1 (100-fache Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen
Stahlkörper und Kupfer bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (100-fache Vergrößerung);
Fig. 4a: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen
Stahlkörper und Kupfer bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (500-fache Vergrößerung);
Fig. 4b: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Übergangszone zwischen
Stahlkörper und Kupfer bei Probe Nr. 1 (500-fache Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik; Fig. 4c: Linien-Scan („line-scan") der Übergangszone zwischen Stahlkörper und Kupfer auf der Grundlage von Fig. 4b;
Fig. 5: Rasterelektromikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (100-fache Vergrößerung) vor dem Glühschritt;
Fig. 6: Lichtmikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (200-fache Vergrößerung) vor dem Glühschritt nach Anätzung;
Fig. 7: Lichtmikroskopische Darstellung der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 (200-fache Vergrößerung) nach dem Glühschritt und nach Anätzung;
Fig. 8: Lichtmikroskopische Aufnahme der Kupferbeschichtung bei der erfindungsgemäßen Probe Nr. 2 nach Glühschritt und Anätzung (50-fache Vergrößerung);
Fig. 9: Lichtmikroskopische Aufnahme der Kupferbeschichtung bei Probe Nr. 1 (50-fache
Vergrößerung) gemäß dem Stand der Technik nach Anätzung;
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt einer Röntgenröhre mit einem Rotor und einer Röntgendrehanode wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Eine Röntgenröhre besteht in der Regel aus einem Glaskolben (5) mit einem Vakuum-Innenraum (4). In dem Glaskolben befindet sich eine Kathode (3) mit einer Heizwendel (6) welche Elektronen (7) emittiert. Gegenüber der Kathode (3) liegt die Röntgendrehanode (2), die einen Anodenteller (11) umfasst, der durch eine Welle (12) mit dem Rotor (1) eines Elektromotors verbunden ist. Zum Antrieb des Rotors ist außerhalb des Glaskolbens (5) ein Stator (9, 10) angeordnet. Der Stator (9,10) erzeugt beim Anschluss an Strom ein um den Glaskolben (5) rotierendes Magnetfeld, das auf den Rotor (1) ein Drehmoment ausübt und somit die Röntgendrehanode (2) in eine Drehung versetzt. Der Rotor (1) sowie die Röntgendrehanode (2) befinden sich im Hochvakuum (4) in einem Glaskolben (5). Die von der Kathode (3) emittieren Elektronen (7) werden auf den Anodenteller hin beschleunigt und erzeugen beim Auftreffen auf den Anodenteller durch Abbremsung Röntgenstrahlen (8), welche durch ein Strahlenfenster im Glaskolben die Röntgenröhre verlassen.
Beispiele: Probe Nr. 1 wurde gemäß dem Stand der Technik nach dem Hintergußverfahren hergestellt. Dafür wurde ein Stahlrohr mit einer Zusammensetzung von 0,08-0,15 Gew.% C, 1,00 Gew.% Si, 1,50 Gew.% Mn, 0,040 Gew.% P, 0,030 Gew.% S, 11,5 bis 13,5 Gew.% Cr, Rest Fe und übliche Verunreinigungen mit einer Länge von 103 mm, einem Außendurchmesser von 62 mm und einem Innendurchmesser von 44 mm zur Verfügung gestellt. Diese Stahlrohr wurde in eine Graphitform eingesetzt und anschließend mit einer Kupferschmelze (mit mindestens 99,95 Gew.% Cu, Rest übliche Verunreinigungen, in Summe max. 0,05 Gew.%) hintergossen. Das Stahlrohr wurde anschließend abgedreht, so dass die Kupfer-Beschichtung (auf der Außen- Mantelfläche des Stahlrohres) eine Dicke von 2 mm aufwies.
Für die erfindungsgemäße Probe Nr. 2 wurde Cu-Pulver bereitgestellt mit. 99,95 Atom% Cu sowie 28 μg/g C, <10 μg/g Fe, 4 μg/g H, < 5μg/g N und 201 μg/g O. Die mittlere Partikelgröße d50 betrug 26,53 p.m. Ein Stahlbauteil mit einer Zusammensetzung von 0,20-0,22 Gew.% C, 0,55 Gew.% Si, 1,60 Gew.% Mn, 0,025 Gew.% P, 0,025 Gew.% S, 0,55 Gew.% Cu, Rest Fe und übliche Verunreinigungen mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 7 mm wurden zur Verfügung gestellt und die Oberfläche vorgereinigt. Danach wurde das Stahlbauteil mittels Kaltgasspritz-Verfahren mit dem Cu-Pulver beschichtet. Folgende Kaltgasspritz- Prozessparameter kamen zur Anwendung: Druck 32 bar, Gastemperatur 400°C, Prozessgas N2. Nach der Beschichtung wurde die Probe bei 550°C für 1h im Hochvakuum geglüht. Die Beschichtung wurde auf 1 mm abgedreht, so dass die Gesamtstärke der Probe 8 mm betrug.
Dann wurde die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung gemäß DIN EN 16813 (2017) gemessen. Probe Nr. 1 wies eine Leitfähigkeit von 24 MS/m auf. Die elektrische Leitfähigkeit der Probe Nr. 2 betrug 56 MS/m. In reinem Kupfer ist die elektrische Leitfähigkeit 58 MS/m (gemäß IACS). Folglich weist das Kaltgasspritz-beschichtete Stahlbauteil eine fast doppelt so hohe Leitfähigkeit wie das durch Hinterguß hergestellte Stahlbauteil auf. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Probe annähernd die elektrische Leitfähigkeit von reinem Kupfer auf.
Zusätzlich wurde getestet, wie gut die Haftfestigkeit des Kupferspritzbeschichtung am Stahlbauteil von Probe Nr. 2 ist. Diese Tests wurden gemäß ASTM C633-13 (2013) durchgeführt. Dabei ergaben sich gute Schichthaftungswerte mit einer Haftfestigkeit > 16 MPa.
Zur Analyse der Grenzfläche und der aufgebrachten Beschichtung wurden Schliffe erstellt, deren Bildfläche im 90 º-Winkel zur Beschichtungsebene liegen und somit die beiden Grundmaterialen und deren Grenzfläche abbilden. Diese polierten Schliffe wurden zum einen im Rasterelektronenmikroskop mit 100-facher und 500-facher Vergrößerung untersucht und Bildaufnahmen gemacht. Zum anderen wurden auch lichtmikroskopische Aufnahmen der Schliffe angefertigt, bei denen die Schliffe vorher angeätzt wurden, um die Kornstruktur der Spritzbeschichtung zu zeigen.
Die Figur 2 zeigt den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu- Hinterguß auf Stahl) gemäß Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 100x. Man erkennt in Figur 2 den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, und die Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Anbindung der Kupferbeschichtung and den Stahl ist vollflächig über eine Übergangszone (B) vollzogen und man sieht deutlich das Anlösen der Stahloberfläche durch das Hintergießen mit Kupfer. Die Übergangszone (B) zeigt eine ungefähre Dicke von ca. 50 μm. Deutlich zu erkennen ist, dass die Kupferbeschichtung in die Oberfläche des Stahls eingedrungen ist, sowie auch Stahlanteile in der Kupferbeschichtung vorliegen, d.h. beide Materialien diffundieren ineinander und es liegen keine homogenen Materialeigenschaften in der Übergangszone vor.
Figur 3 zeigt den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) mit einer Vergrößerung von 100x. Man erkennt in Figur 3 den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, und die Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Anbindung der Kupferbeschichtung an den Stahl ist vollflächig vollzogen und es ist keine Durchmischung der Materialen zu erkennen, d.h. eine Übergangszone liegt nicht vor.
Die Figur 4a ist eine vergrößerte Aufnahme der Figur 3 und zeigt ebenfalls den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) mit einer Vergrößerung von 500x. Man erkennt in Figur 4a den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der unteren Hälfte der Abbildung, sowie der Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der oberen Hälfte der Abbildung. Die Oberfläche des Stahls ist gut zu erkennen und weist Unebenheiten auf. Diese Unebenheiten können entweder durch die Oberflächenbehandlung des Stahls vor dem Kaltgasspritzen als auch durch den Aufprall mit dem das Kupfer auf die Stahloberfläche auftrifft entstanden sein. In der gezeigten Figur betragen die Oberflächenunebenheiten maximal lOμm. Jedoch sieht man deutlich, dass die Stahloberfläche nicht angelöst wurde und keine Vermischung der Materialien stattgefunden hat. Es ist eine klare Abgrenzung zwischen dem Stahlkörper (A) und der Kupferbeschichtung (C) zu erkennen.
Die Figur 4b ist eine vergrößerte Aufnahme der Figur 2 und zeigt ebenfalls den Übergang von Stahl zur Kupferbeschichtung in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu-Hinterguß auf Stahl) gemäß dem Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 500x. Man erkennt in Figur 4b den Körper aus Stahl (A, dunkler Bereich) in der rechten Hälfte der Abbildung, sowie die Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in der linken Hälfte der Abbildung. Deutlich ist die Übergangszone (B) zu erkennen. Das Kupfer ist teilweise tief in die Stahloberfläche eingedrungen. Die Stahloberfläche weist deutliche Anschmelzungen auf, so dass Anteile von Stahl in der Kupferschicht vorliegen.
Die Figur 4c zeigt einen Linien-Scan („line-scan") der Übergangszone von Kupfer zu Stahl auf Grundlage der Figur 4b. Hierzu werden entlang einer Linie die Elementkonzentrationen der Elemente Chrom, Eisen und Kupfer ausgehend von der Kupferbeschichtung (C, heller Bereich) in Richtung des Stahlkörpers (A, dunkler Bereich) vermessen. Die Peak-Intensitäten nach Anregung mit der zur Auswertung herangezogen Cu K(alpha)-Linie wird bei diesem Verfahren iterativ in Bezug auf die Atomzahl, die Absorption und die Fluoreszenz korrigiert und liefert somit die Möglichkeit einer standardfreien quantitativen Berechnung der Elementzusammensetzung (in Atom%). Es ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich der Übergangszone (B) hohe Mengen an Eisen in der Kupferbeschichtung vorliegen, sowie hohe Mengen an Kupfer tief in die Oberfläche des Stahlkörper eingedrungen sind. Deutlich zu erkennen ist der hohe Cu -Anteil im Bereich der Cu-Schicht (C) vor der Übergangszone (B) sowie der hohe Fe-Anteil im Stahlkörper (A) nach der der Übergangszone (B). Im Bereich der Cu- Schicht (C) sind darüber hinaus höherer Fe-Anteile erkennbar (insbesondere im Vergleich zu den Cu-Anteilen im Stahlkörper (A)). Dies zeigt, dass Fe auch über die Übergangszone hinaus in die Cu-Beschichtung (C) eindringen kann. Ebenfalls ist zu erkennen, dass der Stahlkörper auch einen Anteil an Chrom aufweist.
Figur 5 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme im
Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) vor dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 100x. Die Kupferbeschichtung zeigt eine homogene Schicht mit einer Dichte von ≥ 97% (97-98,66%) der theoretischen Dichte von Kupfer. Einzelne Schichtlagen sind nicht erkennbar.
Figur 6 zeigt die Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) vor dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 200x. Durch eine Anätzung der Cu-Partikel wurden die Korngrenzen hervorgehoben, so dass die Gefügestruktur deutlich sichtbar ist. Zu erkennen ist die gestreckte Form der Cu-Partikel sowie die vielen Schichtlagen. Diese Beschichtung unterscheidet sich deutlich von einer Cu-Beschichtung mittels Hinterguß (siehe Fig. 9).
Figur 7 zeigt die Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) nach dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 200x. Durch eine Anätzung der Cu-Partikel wurden die Korngrenzen hervorgehoben, so dass die Gefügestruktur deutlich sichtbar ist. Zu erkennen ist die feinkörnige und äquiaxiale Mikrostruktur der Beschichtung.
Figur 8 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 2 des erfindungsgemäßen Beispiels (Kaltgasspritz-Beschichtung auf Stahl) nach dem Glühschritt mit einer Vergrößerung von 50x. Diese niedrige Vergrößerung wurde gewählt, um einen direkten Vergleich mit der Korngröße im Hintergußverfahren zu haben. Nach Anätzung der Cu-Partikel ist eine feinkörnige und gleichmäßige Mikrostruktur der Kupferbeschichtung (C) ist zu erkennen. Der Stahlkörper (A, dunkler Bereich) ist ebenfalls zu erkennen.
Figur 9 zeigt eine Kupferbeschichtung (C) in einer Lichtmikroskop-Aufnahme im Querschliff von Probe Nr. 1 des Beispiels (Cu-Hinterguß auf Stahl) gemäß Stand der Technik mit einer Vergrößerung von 50x. Nach Anätzung der Cu-Partikel ist deutlich zu erkennen, dass sich beim Hintergießen eine großkörnige Struktur der Kupferbeschichtung ausbildet.

Claims

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