專利名稱：用于液態(tài)金屬軸承的界面及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例一般地涉及χ射線管，并且更特別地涉及其中結(jié)合了螺旋形溝槽軸承(SGB)的X射線管。
背景技術(shù)：
X射線系統(tǒng)典型地包括χ射線管、探測器和用于該χ射線管和探測器的支撐結(jié)構(gòu)。 在操作中，物體被定位在其上的成像臺位于X射線管與探測器之間。X射線管典型地朝物體發(fā)射諸如X射線的輻射。該輻射典型地穿過成像臺上的物體并撞擊在探測器上。當(dāng)輻射穿過物體時，物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在探測器處接收的輻射的空間變化。探測器然后發(fā)出所接收的數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)將輻射變化轉(zhuǎn)換成圖像，該圖像可被用于評估物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，該物體可包括但不限于醫(yī)療成像期間的患者和諸如例如X射線掃描機(jī)或計算機(jī)斷層照相(CT)包裹掃描機(jī)中的無生命物體。χ射線管包括位于高真空環(huán)境內(nèi)的陰極和陽極。陽極結(jié)構(gòu)典型地由滾珠軸承支撐并被旋轉(zhuǎn)以便分配在焦點(diǎn)處產(chǎn)生的熱量。典型地，采用感應(yīng)馬達(dá)來旋轉(zhuǎn)陽極，該感應(yīng)馬達(dá)具有被置入支撐盤形陽極靶的懸臂軸內(nèi)的圓柱形轉(zhuǎn)子，以及帶有包圍X射線管的長形頸部的銅繞組的鐵定子結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)陽極組件的轉(zhuǎn)子由定子驅(qū)動。X射線管陰極提供跨越陽極到陰極真空間隙加速并在與陽極撞擊之后產(chǎn)生X射線的聚焦電子束。由于當(dāng)電子束沖擊靶時所產(chǎn)生的高溫，需要以高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)陽極組件。這對滾珠軸承提出了嚴(yán)格要求?？刹捎靡簯B(tài)金屬軸承來代替滾珠軸承。液態(tài)金屬軸承的優(yōu)點(diǎn)包括由于與滾珠軸承相比增加的接觸面積的量而獲得的高負(fù)載能力和高熱傳遞能力。優(yōu)點(diǎn)還包括本領(lǐng)域中眾所周知的低噪聲運(yùn)行。典型地使用鎵及其合金作為液態(tài)金屬，因?yàn)樗鼈儍A向于在室溫下呈液態(tài)并且在運(yùn)行溫度下具有足夠低的蒸氣壓力以滿足X射線管的嚴(yán)格高真空要求。鎵傾向于呈高反應(yīng)性和腐蝕性。因此，耐受此類腐蝕的基體金屬是所期望的。因此，典型地使用諸如鉬的難熔金屬作為用于SGB的基材，并且如本領(lǐng)域中公知的典型地在表面中加工螺旋形溝槽以便提供泵吸作用而將液態(tài)金屬維持在其理想位置。此類材料不但耐腐蝕，而且它傾向于真空相容且因此使其本身適合于X射線管應(yīng)用。然而，在液態(tài)金屬的使用期間可能遇到的一個問題是確保軸承表面與液態(tài)金屬的足夠浸潤性。當(dāng)未產(chǎn)生足夠浸潤性時，液態(tài)金屬不完全填充SGB并且SGB在使用期間可能不會貫通間隙均勻地分配液態(tài)金屬，從而縮短了 χ射線管的壽命。浸潤性可能由于基體金屬在組裝之前和/或組裝期間暴露于空氣或濕氣而受到負(fù)面影響，從而導(dǎo)致其上形成氧化層。氧化層又使零件表面與液態(tài)金屬的浸潤性惡化。已采用公知技術(shù)來改善或維持基材在這些情形下的浸潤性。一種公知的技術(shù)包括在氫中在大約800°C下燃燒軸承表面，然后將零件存儲在隔氧氣氛比如氮?dú)饣驓鍤庵兄钡绞褂脼橹埂Ａ硪环N公知的技術(shù)包括利用例如物理蒸鍍(PVD)技術(shù)用碳化物、硼化物或氮化物涂覆軸承零件。另一種公知的技術(shù)包括利用PVD涂敷鉬作為擴(kuò)散障礙。然而，雖然當(dāng)利用PVD涂敷此類擴(kuò)散障礙時可采用鉬，但擴(kuò)散障礙的基材典型地與基材完全相同。備選地，利用不同于基材的材料通過PVD涂敷的材料對于適當(dāng)?shù)膽?yīng)用傾向于被限制在2000nm的厚度以便避免由于所涂敷的障礙和基體金屬的熱失配而開裂?？赏ㄟ^采用具有與基體金屬類似的膨脹系數(shù)的涂層而在一定程度上減輕熱失配。然而，此類解決方案傾向于限制基體金屬/涂層選項的數(shù)量。此外，由于厚度限制，從后期機(jī)加工排除了此類材料，從而使得必須涂敷具有落入最終零件的理想最終公差內(nèi)的厚度的擴(kuò)散障礙。同樣，由于厚度限制，此類用以改善浸潤性的解決方案依然使得基材必須耐受液態(tài)金屬如鉬的腐蝕作用。然而，鉬在作為基材和在加工及處理方面都很昂貴。一種用于使基材費(fèi)用最少并改善功能性的技術(shù)是僅在將接觸液態(tài)金屬的區(qū)域內(nèi)包括優(yōu)選的基體金屬(即鉬)。由較廉價的材料制成的延伸體然后可被銅焊或以其它方式附接到其上，該延伸體用作作為用于陽極的支撐件的機(jī)械連接件。換句話說，例如，靜止的中心軸可支撐具有被附接在其上的陽極的可旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)。該中心軸可完全由優(yōu)選的基體金屬制成，或者其成本可通過經(jīng)由銅焊或其它附接方法將較廉價的鋼附接到其上、從而減小優(yōu)選基體金屬的總量來降低。此類設(shè)計可由于使用較廉價的鋼部分代替優(yōu)選的基體金屬而節(jié)省成本。然而，利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)省典型地由于額外的附接處理、例如由于將具有密封件的延伸體附接在其上而發(fā)生一定程度的偏離。使用鉬的一個缺點(diǎn)是鉬會形成在SGB的典型操作溫度下不穩(wěn)定的帶有鎵的金屬間化合物層。因此，金屬間化合物層傾向于由于固態(tài)鉬表面與液態(tài)鎵之間的接觸而形成，從而如果該金屬間化合物層傾向于斷裂則起到研磨劑的作用，或在靜止零件與旋轉(zhuǎn)零件之間接觸時(這會引起SGB的過早壽命失效)起到微粒的作用。金屬間化合物層的形成是溫度的函數(shù)并且服從如本領(lǐng)域中公知的阿列紐斯(Arrhenius)老化原理。因此，SGB可由鉬制成并采用鎵作為其中的液態(tài)金屬，并且對于正確的操作和處理，如此制成的SGB對于χ射線管的壽命可提供足夠的性能。然而，鉬基體金屬傾向于是高成本的，并且僅在與鎵接觸的區(qū)域內(nèi)具有鉬涂層的備選SGB通常包括高成本的銅焊步驟。 鉬或鉬涂層的加工也包括額外的成本，并且額外的浸潤步驟(即，在氫環(huán)境中燃燒)是與基于鉬的SGB相關(guān)的高成本處理步驟。此外，鉬形成在典型操作溫度下不穩(wěn)定的金屬間化合物，并且隨著成像應(yīng)用傾向于功率增大，操作溫度同樣升高，從而加速鉬-鎵金屬間化合物層的生長和形成。因此，希望具有減少與制造和使用SGB相關(guān)的總成本的設(shè)備和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供通過在SGB構(gòu)件的表面上提供材料而克服前述缺點(diǎn)的設(shè)備和方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，χ射線管包括陰極和被定位成接收從陰極發(fā)射的電子的靶組件。該靶組件包括靶和構(gòu)造成支撐該靶的螺旋形溝槽軸承(SGB)。該SGB包括具有第一
4表面和附于第一表面上的第一材料的可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；具有第二表面和附于第二表面上的第二材料的靜止構(gòu)件，該靜止構(gòu)件被定位成使得間隙形成在第一材料與第二材料之間；以及被定位在該間隙中的液態(tài)金屬，其中第一材料和第二材料中的至少一者包括鉭。按照本發(fā)明的另一方面，靶組件包括具有附于其外表面上的第一材料的軸、構(gòu)造成支撐靶并具有附于其內(nèi)表面上的第二材料的套管、以及被定位在第一材料與第二材料之間的液態(tài)金屬，其中第一和第二材料中的至少一者包括鉭。根據(jù)本發(fā)明的再另一方面，一種制造用于χ射線管的靶組件的方法包括如下步驟提供具有外表面材料且具有外徑的軸；提供套管，該套管具有暴露套管的內(nèi)表面材料的孔口，其中內(nèi)表面材料的直徑大于外表面材料的外徑；將第一層涂敷到內(nèi)表面材料上，以及將第二層涂敷到外表面材料上。該方法還包括酸蝕第一層和第二層中的至少一者以從其去除氧化物，將靶附接在軸和套管中的一者上，將軸插入套管以形成軸套管組件，以及將液態(tài)金屬涂敷到軸套管組件的第一層和第二層中的一者上。各種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述和附圖變得明顯。


附示了為了實(shí)施本發(fā)明而當(dāng)前設(shè)想的一個優(yōu)選實(shí)施例。在附圖中圖1是結(jié)合了本發(fā)明的實(shí)施例的成像系統(tǒng)的框圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例且可與圖1中所示的系統(tǒng)一起使用的χ射線管的一部分的截面圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的螺旋形溝槽軸承(SGB)的截面圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于SGB的材料構(gòu)件的透視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于制造SGB的技術(shù)。圖6是與非侵入性包裹檢測系統(tǒng)一起使用的χ射線系統(tǒng)的示圖。零部件清單2x射線成像系統(tǒng)4x射線管或源6x射線束8 物體10探測器12處理器14計算機(jī)16操作員控制臺18顯示單元20存儲裝置22源控制器24 框架28輻射發(fā)射通道30x射線管容積
32靶或陽極34軸承組件34軸承構(gòu)件36 陰極38 轉(zhuǎn)子40中心線41中心軸42 套管44 第一端46 第二端50液態(tài)金屬討徑向突起55軸向表面56徑向空腔58可去除的罩蓋60例如，它們之間的勢差62供給管線64冷卻劑66 入口68 出口69可去除的端蓋70包括相應(yīng)的材料或涂層72包括相應(yīng)的材料或涂層73 內(nèi)徑74在此實(shí)施例中，預(yù)成型件76在此實(shí)施例中，預(yù)成型件78在此實(shí)施例中，預(yù)成型件80在此實(shí)施例中，預(yù)成型件81 外徑82可選的附接或結(jié)合材料83構(gòu)造成被附接在外徑上85 內(nèi)徑87被包括用于附接部件89包括材料覆蓋端90例如，在92始于方框94且SGB在方框裝配96在方框涂敷鉭涂層98在方框?qū)α慵M(jìn)行后期處理
100在方框102在方框組裝104在方框106在方框結(jié)束410 否500x射線系統(tǒng)502 托臺504 開口506x 射線管508探測器組件510傳送系統(tǒng)512傳送帶514由結(jié)構(gòu)支撐516使包裹或行李件自動和連續(xù)經(jīng)過518 否
具體實(shí)施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明被設(shè)計成既獲取原始圖像數(shù)據(jù)又處理該圖像數(shù)據(jù)以便進(jìn)行顯示和/或分析的X射線成像系統(tǒng)2的一個實(shí)施例的框圖。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，本發(fā)明可應(yīng)用于眾多使用χ射線管的醫(yī)療成像系統(tǒng)，比方說χ射線或乳房χ線照相系統(tǒng)。其它成像系統(tǒng)如獲取一定量的圖像三維數(shù)據(jù)的計算機(jī)斷層照相(CT)系統(tǒng)和數(shù)字射線照相(RAD)系統(tǒng)，也從本發(fā)明受益。以下對成像系統(tǒng)2的討論只是這樣一個實(shí)施方案的實(shí)例且并非旨在對形態(tài)進(jìn)行限制。如圖1中所示，成像系統(tǒng)2包括構(gòu)造成穿過物體8投射χ射線束6的χ射線管或源4。物體8可包括人體、行李件或其它希望進(jìn)行掃描的物體。χ射線源4可為產(chǎn)生具有范圍典型地為從30keV至200keV的能量的頻譜的χ射線的常規(guī)χ射線管。χ射線6穿過物體8并在被物體8衰減后撞擊在探測器10上。探測器10中的每個探測器均產(chǎn)生代表撞擊的χ射線束的強(qiáng)度的模擬電信號，并因此在χ射線束穿過物體8時產(chǎn)生衰減束。在一個實(shí)施例中，探測器10為基于閃光的探測器，然而，也設(shè)想也可采用直接轉(zhuǎn)換型探測器(例如， CZT探測器等)。處理器12從探測器10接收信號并生產(chǎn)與被掃描的物體8對應(yīng)的圖像。計算機(jī)14 與處理器12通信以使操作員能夠利用操作員控制臺16控制掃描參數(shù)并觀看所生成的圖像。亦即，操作員控制臺16包括一些形式的操作員接口，比方說鍵盤、鼠標(biāo)、聲控控制器或允許操作員控制成像系統(tǒng)2并在顯示單元18上觀看來自計算機(jī)14的重建圖像或其它數(shù)據(jù)的任何其它合適的輸入器件。另外，操作員控制臺16允許操作員將所生成的圖像存儲在存儲裝置20中，該存儲裝置可包括硬盤驅(qū)動器、閃存、光盤等。操作員也可使用操作員控制臺 16來向計算機(jī)14提供命令和指令以便控制向χ射線源4提供電力和時序信號的源控制器 22。圖2示出結(jié)合了本發(fā)明的實(shí)施例的χ射線源4的截面圖。χ射線源4包括框架24，框架M中具有允許χ射線6穿過其中的輻射發(fā)射通道觀?？蚣躆封閉χ射線管容積30， 該容積容納靶或陽極32、軸承組件34和陰極36。軸承組件34將在圖3中更詳細(xì)地描述。當(dāng)高速電子借助于陰極36與陽極32之間例如在CT應(yīng)用的情況下為60千伏或以上的勢差在從陰極36被引向陽極32時突然減速時產(chǎn)生χ射線6。χ射線6通過輻射發(fā)射通道觀朝探測器陣列(例如圖1的探測器10)發(fā)射。為了避免陽極32由于這些電子而過熱，轉(zhuǎn)子38使陽極32例如在90-250HZ下圍繞中心線40以高速旋轉(zhuǎn)。陽極32在第一端44 處被附接在套管42上，且轉(zhuǎn)子38在第二端46處被附接在套管42上。除陽極32在χ射線管4內(nèi)的旋轉(zhuǎn)以外，在CT應(yīng)用中，使得χ射線管4作為整體以典型地為IHz或更快的速度圍繞物體(如圖1中的成像系統(tǒng)2的物體8)旋轉(zhuǎn)。軸承組件34包括具有用于在成像系統(tǒng) 2內(nèi)操作的足夠的負(fù)載支承能力和可接受的噪聲水平的螺旋形溝槽軸承(SGB)。現(xiàn)在參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的SGB的截面圖。軸承組件34包括被定位在套管42內(nèi)的中心軸41。套管42構(gòu)造成支撐陽極(未示出)，例如圖2的陽極 32。軸承組件34包括定位在中心軸41與套管42之間的液態(tài)金屬50。在本發(fā)明的實(shí)施例中，液態(tài)金屬50可包括例如鎵和鎵合金。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到文中所述的發(fā)明可應(yīng)用于任何液態(tài)金屬軸承。如本領(lǐng)域中公知的那樣，中心軸41和套管42典型地包括迫使液態(tài)金屬50在套管42旋轉(zhuǎn)期間保持在中心軸41與套管42之間的螺旋狀溝槽(未示出)。 結(jié)果，液態(tài)金屬50在套管42旋轉(zhuǎn)期間保持均勻分布在中心軸41周圍，從而改善其潤滑效果并增加軸承組件34的負(fù)載能力。如圖3中所示，軸承組件34包括中心軸41，中心軸41在本實(shí)施例中是靜止的，并且軸承組件34包括構(gòu)造成將靶附接在其上的旋轉(zhuǎn)套管42。液態(tài)金屬50被定位在構(gòu)件41 和42之間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以包括其它軸承構(gòu)造。 例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，軸承組件34可換作包括靜止外構(gòu)件和具有被附接在其上的靶的旋轉(zhuǎn)中心軸。作為另一個示例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，軸承組件34可為構(gòu)造成將靶支撐在第一和第二液態(tài)金屬軸承之間的“跨騎”軸承。換句話說，本發(fā)明的實(shí)施例可被結(jié)合在利用液態(tài)金屬軸承來支撐陽極或靶的任何軸承構(gòu)造。此類構(gòu)造可包括靜止中心軸和可旋轉(zhuǎn)的外軸，且反之亦然。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，這些應(yīng)用不必局限于 χ射線管，而且可應(yīng)用于具有真空中的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的任何構(gòu)造，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件由液態(tài)金屬軸承支撐。因此，不論構(gòu)造或應(yīng)用如何，本發(fā)明都可應(yīng)用于具有可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件和靜止構(gòu)件以及在它們之間的液態(tài)金屬的任何軸承構(gòu)造。在一個實(shí)施例中，中心軸41包括定位在套管42的徑向空腔56中的徑向突起54， 并且套管42可包括構(gòu)造成允許組裝構(gòu)件的可去除罩蓋58。徑向突起M限制套管42相對于中心軸41的軸向運(yùn)動，并且如圖所示，徑向突起M與套管42之間以及罩蓋58與中心軸 41之間也包括液態(tài)金屬50。徑向突起M不必在軸向長度上受到限制，而是可在軸向長度上延伸以提供構(gòu)件的附加機(jī)械支撐。在一個實(shí)施例中，徑向突起M包括沿著軸向表面陽的人字形(herringbone)或螺旋狀溝槽。在另一實(shí)施例中，徑向突起M在軸承組件34的套管42的整個軸向長度上延伸。在此實(shí)施例中，徑向突起M呈圓柱形并被定位在套管42 內(nèi)的圓柱形孔口內(nèi)。在一個實(shí)施例中，中心軸41包括穿過其中并構(gòu)造成使冷卻劑經(jīng)過其中的空腔60?？涨?0可包括定位在其中的供給管線62以使冷卻劑64在入口 66處進(jìn)入空腔60并且然后在出口 68處從其離開。因此，冷卻劑64使從χ射線管4的陽極32產(chǎn)生的熱量能夠從該處被提取并被傳遞到χ射線管4的外部。在一個實(shí)施例中，軸承組件34包括可去除的端蓋69。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，中心軸41、套管42、可去除的罩蓋58和端蓋69包括定位在其上的相應(yīng)材料或涂層70、72，以防止它們的基材的腐蝕，從而使得能夠在其中使用較廉價的基材。如將討論的那樣，材料或涂層70、72可作為涂層涂敷(比方說圖3中)或可作為材料或作為分離的部件分開引用(比方說圖4中)。用于中心軸41、套管42、可去除的罩蓋58和端蓋69的示例性基體金屬包括難熔金屬及其合金，Kovar (包括基于鎳-鈷含鐵合金的材料)，(Kovar 是賓夕法尼亞州匹茲堡市西屋電氣與制造公司(Westinghouse Electric and ManufacturingCompany)的注冊商標(biāo))，工具鋼(提供良好的機(jī)械加工性并具有較低的導(dǎo)熱率)，馬氏體時效鋼(以具有出色的強(qiáng)度和韌性而不損失延展性而著稱的低碳、超高強(qiáng)度鐵合金)，鐵-鎳(FeNi)合金，超合金和Glidcop (Glidcop 是特拉華州 SCM金屬產(chǎn)品公司(SCM MetalProducts Inc.)的注冊商標(biāo))。在一個實(shí)施例中，使用具有低于10%的鉻含量的鐵基基體金屬。在另一實(shí)施例中，基體金屬包括304或316不銹鋼。鉭在與鎵接觸時形成金屬間化合物層，但應(yīng)認(rèn)識到，當(dāng)與鉬相比時，鉭在升高的溫度下形成高溫穩(wěn)定性高得多的金屬間化合物層。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，涂層70、72因此含有鉭。在另一實(shí)施例中，鉭可與另一種材料結(jié)合，比方說可包括鉬或鎢的難熔金屬。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可通過熔化的鹽沉積、電鍍、化學(xué)蒸鍍(CVD)、物理蒸鍍(PVD)、等離子強(qiáng)化PVD(PE-PVD)、激光強(qiáng)化處理(比方說稱為LENS 的激光強(qiáng)化凈成形，LENS 是新墨西哥州阿爾伯克基市的Sandia公司(Sandia Corporation)的注冊商標(biāo))、冷噴射、陰極濺鍍和它們的組合來涂敷涂層70、72?？梢砸愿鶕?jù)處理條件和期望結(jié)果而選擇的厚度來涂敷涂層70、72，然而每一種均具有與其相關(guān)的特定好處。在一個實(shí)施例中，如本領(lǐng)域中理解的那樣，可對待涂覆的零件進(jìn)行掩模，以便可借助于例如CVD將涂層70或涂層72涂敷到特定位置。在另一實(shí)施例中，可借助于例如CVD涂敷涂層70、72然后在不希望有涂層70、72 的區(qū)域中借助于機(jī)加工或其它公知的去除技術(shù)來將其去除。仍參照圖3，在本發(fā)明的實(shí)施例中，涂敷使得能夠在軸承組件34的最終組裝之前在其上執(zhí)行后期機(jī)加工或后期處理步驟的涂層70、72。后期處理步驟可與本領(lǐng)域中眾所周知的任何數(shù)量的材料去除技術(shù)一起使用，比方說機(jī)加工、酸蝕、激光蝕刻、電化學(xué)加工等。在此類實(shí)施例中，涂層70、72首先在例如從0. 05mm到0. 15mm的范圍內(nèi)涂敷以促進(jìn)并使得能夠進(jìn)行后期涂覆處理使得溝槽形成(例如由于機(jī)加工處理)發(fā)生在涂層層中而不是在基體金屬中。本發(fā)明的實(shí)施例還包括涂敷涂層70、72至大于0. 15mm的深度，其也可包括后期機(jī)加工步驟。換句話說，涂層或材料典型地足夠厚以使得能夠在層或涂層70、72中而不是在基體金屬中切削溝槽。另外，在包括涂敷涂層70、72然后執(zhí)行后期機(jī)加工步驟的實(shí)施例中， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，可放松基材的初始公差，并且后期機(jī)加工步驟可包括更高公差的精細(xì)加工以去除例如10-30微米的表面小孔，從而通過允許在涂敷涂層70、72之前制造更低公差的零件而降低處理成本。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，后期機(jī)加工步驟如本領(lǐng)域中理解的那樣包括在涂層70、72的選定部分中機(jī)加工螺旋形溝槽，以便提供抽吸作用以在SGB 操作期間將液態(tài)金屬維持在期望位置上。根據(jù)一個實(shí)施例，借助于電化學(xué)加工(ECM)將螺旋形溝槽加工到涂層70、72中。在實(shí)施例中，將涂層70、72涂敷到高達(dá)Imm或更厚的厚度。此類處理可包括等離子噴射、熔鹽沉積、LENS 和冷噴射。由于能夠從這些處理實(shí)現(xiàn)的厚度，這些處理通過使得能夠在后期機(jī)加工期間從所涂敷的材料切削溝槽而同樣支持根據(jù)本發(fā)明的后期機(jī)加工處理。例如，冷噴射可用于通過利用壓縮氣體高速推進(jìn)細(xì)粉末顆粒而涂敷涂層70、72。這些顆粒比較冷，因此對撞擊的本體反應(yīng)(bulk reaction)處于固態(tài)下，并且氧化很少或沒有氧化。由于這些顆粒在處理期間典型地不會熔化，所以在基材冷卻后的收縮比較小。也可利用熔鹽沉積將涂層70、72涂敷到足夠的厚度。該處理包括在熔鹽混合物中鉭的電解淀積。在本發(fā)明的實(shí)施例中且如本領(lǐng)域中理解的那樣，鹽混合物可包括NaCl、KCl等。在沉積期間， 如本領(lǐng)域中理解的那樣，零件被陰極極化并且熔鹽典型地包括難熔金屬離子的源。應(yīng)意識到，所述的處理只是用于涂敷根據(jù)本發(fā)明的涂層的實(shí)例，并且可采用任何數(shù)量的涂敷處理來涂敷根據(jù)本發(fā)明的涂層。LENS 處理典型地包括激光熔凝處理(laser consolidation process)以撞擊并加熱基材的一個區(qū)域而使基材熔化。典型地，借助于一束或多束激光對基材加熱至足以使基材熔化，并且同時經(jīng)供料器將粉末狀材料(比方說難熔金屬)供應(yīng)到被加熱的區(qū)域。因而，被添加的材料熔化并與下面的材料結(jié)合。由于LENS 使用在處理期間供給的粉末，所以該粉末可包括不同程度的粉末成分以通過其厚度調(diào)整涂層密度。換句話說，例如，對于不銹鋼基材如304或316不銹鋼上的鉭涂層，可在具有低濃度鉭和高濃度基材的處理開始時涂敷涂層。隨著處理在涂敷涂層期間繼續(xù)，鉭的百分比或濃度可增大而工具鋼的濃度減小， 并且這種變化可持續(xù)到涂敷了 100%的鉭為止。如上所述的其它處理同樣可用于涂敷根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的分級結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)例中，通過涂敷其中具有不同百分比的材料的多層，可利用CVD涂敷分級涂層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，如本領(lǐng)域中理解的那樣，上述能夠涂敷具有受控的混合物量的涂層或?qū)拥奶幚碇械娜魏我徽咄瑯涌捎糜谕ㄟ^改變其中的成分的濃度來通過多層涂敷分級涂層。另外，根據(jù)本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，所涂敷的分級涂層不僅可包括兩種成分，而且可包括多種成分以涂敷任何數(shù)量的涂層。因此，可在具有不同鉭濃度的分級層中涂敷材料，其引起貫穿涂層厚度的熱膨脹系數(shù)上的逐漸改變。在本實(shí)例中，由于靠近基材表面的涂層具有高濃度的基材，所以其具有類似于基材的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。等級改變以增加鉭的水平直到在涂層的最外部分上實(shí)現(xiàn)100%的鉭涂層為止。因此，熱失配在涂層的毗鄰部分上被最小化，同時期望的外表面具有鉭涂層。電鍍和CVD可用于涂敷具有大于例如0. Imm的厚度、比方說厚度為0. Imm至2mm 或更大的涂層。此類處理典型地通過使得能夠通過完全從所涂敷的涂層切削溝槽同時避開基材執(zhí)行機(jī)加工而支持后期機(jī)加工處理。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可涂敷包括鉭的涂層70、72，其具有在涂敷處理期間維持在升高的溫度下的基材以減小涂層中在操作溫度下的壓縮殘余應(yīng)力。此類方法將使得材料的膨脹系數(shù)的更寬泛的失配能夠應(yīng)用于下面的基材，從而使得能夠選擇彼此不同的基材和涂層材料。換句話說，這種方法增加了基于其它期望的產(chǎn)品屬性(比方說但不限于導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、韌性、成本(原材料和處理兩者)和焊接性能/連接性能)對基材/涂層組合的選擇。在本發(fā)明的實(shí)施例中，涂層處理可被組合。例如，雖然PVD或PE-PVD本身并不會產(chǎn)生足以支持后期機(jī)加工處理的涂層厚度，但PVD/PE-PVD可與其它處理相結(jié)合以增強(qiáng)涂層70、72的粘附同時使得能夠進(jìn)行如上所述的低成本處理和基材選擇。例如，基材首先可具有借助于PVD或PE-PVD涂敷的涂層，然后可借助于例如熔鹽沉積將第二涂層涂敷于其上，或例如借助于LENS 可具有改善的粘附，因此涂層70、72可各包括第一粘附層和被涂敷于其上的第二涂層材料兩者。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，材料70、72可從優(yōu)選的輔助材料或多種輔助材料預(yù)成型并通過覆層(cladding)、銅焊、液壓成型、等靜壓、輥壓接合、輥壓成形、混合擠壓、過盈配合等附于基材上。參照圖4，軸承組件34包括中心軸41、套管42、端蓋69和罩蓋58。此實(shí)施例中，預(yù)成型件74、76、78和80構(gòu)造成如圖4中所示被附接在它們相應(yīng)的構(gòu)件上。例如， 預(yù)成型件74構(gòu)造成被附接在套管42的內(nèi)徑73上，預(yù)成型件80構(gòu)造成被附接在中心軸41 的外徑81上，預(yù)成型件78構(gòu)造成被附接在中心軸41的外徑83上，并且預(yù)成型件76構(gòu)造成被附接在可去除的罩蓋58的內(nèi)徑85上。在一個實(shí)施例中，預(yù)成型件80包括材料覆蓋端 89，而在另一個實(shí)施例中，端蓋69包括可被附接在中心軸41上的預(yù)成型材料69。盡管預(yù)成型件74-80被顯示為被銅焊在它們相應(yīng)的軸承構(gòu)件上，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，部件74-80可經(jīng)由任何數(shù)量的附接手段(比方說通過焊接、錫焊等)被結(jié)合或附接。在本發(fā)明的實(shí)施例中，部件74-80的厚度被選擇成使后期機(jī)加工步驟能在組裝之前進(jìn)行，并且厚度被選擇成使機(jī)加工、操縱和銅焊簡單且約為0. 5mm或更大。在將部件74-80作為涂敷的材料附接之后，對部件74-80進(jìn)行后期機(jī)加工以獲得期望的厚度、公差、表面質(zhì)量等，從而獲得在圖3中作為涂層70、72被示出的最終涂層。如其中所示，可選的附接或結(jié)合材料82被包括在內(nèi)，其用于將部件74-80和87附接在相應(yīng)的基材中心套管42、罩蓋58、中心軸41和端蓋69上。并且，雖然說明了部件74-80的用途以便使得能夠組裝構(gòu)件，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到，根據(jù)本發(fā)明可采用更多或更少的部件， 取決于設(shè)計和在銅焊或以其它方式附接這些部件之前的一套期望的組裝步驟。因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可借助于多個處理和處理的組合來涂敷材料或涂層 70、72(或如圖4中所示的部件74-80和87)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，包括鉭的材料或涂層 70,72可具有足夠的厚度以使得能夠進(jìn)行材料或涂層70、72的后期機(jī)加工。材料或涂層70、 72可使用特別選擇的適當(dāng)?shù)幕暮屯繉硬牧蟻硗糠笠允箻?gòu)件之間的熱失配最小，或可通過對處理本身進(jìn)行調(diào)節(jié)來涂敷以使在操作期間的殘余應(yīng)力最小?？苫谕繉拥钠谕麎勖?、 基于例如液態(tài)鎵存在時鉭中發(fā)生的腐蝕的運(yùn)動速度，同時考慮操作溫度和影響腐蝕速度的其它因素來選擇涂層厚度。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，材料或涂層70、72的最終厚度大于 0. Imm以提供軸承組件34在源4的壽命期間的足夠壽命。典型地，鉭可在處理期間以及在暴露于環(huán)境氧氣期間形成氧化層，這可降低其表面的浸潤性。與鉬一樣，涂有鉭的零件可被氫燃燒以改善浸潤性。然而，已發(fā)現(xiàn)氫燃燒使鉭變脆。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，又一處理步驟包括通過選擇性地等離子蝕刻(即， 利用電離等離子氣體)期望位置而在一個或兩個涂層70、72上減少或去除氧化層?，F(xiàn)參照圖5并根據(jù)以上所述，技術(shù)90說明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的SGB軸承組件 (如圖3中所示的軸承組件34)的裝配。技術(shù)90始于方框92，并且在方框94處裝配SGB 零件。例如，參照關(guān)于圖3所述的構(gòu)件，在方框94處制造的SGB零件包括但不限于具有例如中心軸41、套管42和可去除的罩蓋58的軸承組件34。此外，如關(guān)于圖3所述，軸承組件34可改為包括其它構(gòu)造，包括但不限于例如靜止外構(gòu)件和旋轉(zhuǎn)中心軸或跨騎軸承。如關(guān)于涂層70、72所述在方框96處涂布鉭涂層。亦即，零件可具有如以上關(guān)于圖3和圖4所述涂敷的包括鉭的涂層70、72，以包括具有帶作為涂層涂敷的材料70、72的構(gòu)件的實(shí)施例(圖 3)，以及包括具有帶作為分離的部件涂敷的材料70、72的構(gòu)件的實(shí)施例(圖4)。零件在方框98處進(jìn)行后期處理。亦即，在如關(guān)于方框96所述涂敷涂層之后，可對零件進(jìn)行機(jī)加工、清潔、測量、測試等，以準(zhǔn)備組裝并作為組件進(jìn)行測試。在方框98的后期處理可包括如以上關(guān)于圖3和圖4所述的后期處理和后期機(jī)加工?？蛇x地，在方框100處對涂有鉭的零件進(jìn)行除氧以提高涂層70、72的浸潤性，而在一個實(shí)施例中，利用等離子蝕刻對零件進(jìn)行除氧。在方框102處組裝軸承構(gòu)件34，該組裝可包括將靶附接在SGB零件之一上，并且如以上關(guān)于例如圖3和圖4所述將構(gòu)件34置入組件中。在方框104處且如本領(lǐng)域中公知的那樣將液態(tài)金屬涂敷到軸承組件；34上。參照圖3，例如，可將液態(tài)金屬50涂敷在涂層70、72之間。在一個實(shí)施例中，在組裝構(gòu)件34之前將液態(tài)金屬50涂敷到軸承組件34的構(gòu)件上，而另一實(shí)施例中，在組裝構(gòu)件34之后涂敷液態(tài)金屬。在一個實(shí)施例中，液態(tài)金屬50為鎵或其合金。 技術(shù)90在方框106處結(jié)束。如本領(lǐng)域中理解的那樣，一旦裝配好SGB軸承組件，就可對其進(jìn)行進(jìn)一步測試、處理并制造在諸如圖1和圖2中所示的χ射線管或源4的裝置中。因此，由于材料或涂層70、72防止了它們被涂敷到其上的基材的腐蝕，所選擇的基材可以較廉價。并且由于材料選擇的靈活性，可選擇具有改善的工程特性(例如但不限于導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度、韌性、成本(原材料和處理兩者)和焊接性能/結(jié)合性能)的基材。圖6是用于與非侵入性包裹檢測系統(tǒng)一起使用的χ射線系統(tǒng)500的示圖。χ射線系統(tǒng)500包括托臺(gantry) 502，其中具有開口 504，包裹或行李件可經(jīng)過該開口。托臺502 容納諸如χ射線管506的高頻電磁能量源以及探測器組件508。還提供了傳送系統(tǒng)510且其包括由結(jié)構(gòu)514支撐的傳送帶512以使包裹或行李件516自動和連續(xù)經(jīng)過開口 504而被掃描。物體516由傳送帶512喂送通過開口 504，然后獲取成像數(shù)據(jù)，并且傳送帶512以受控和連續(xù)的方式從開口 504移開包裹516。因此，郵政檢查員、行李操縱員和其他安全人員可非侵入性地檢查包裹516的容納物是否為炸藥、刀具、槍支、違禁物品等。本領(lǐng)域中的技術(shù)人員會意識到托臺502可以是靜止或可旋轉(zhuǎn)的。在可旋轉(zhuǎn)的托臺502的情況下，系統(tǒng)500 可構(gòu)造成作為用于行李掃描或其它工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的CT系統(tǒng)而操作。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，χ射線管包括陰極和被定位成接收從陰極發(fā)射的電子的靶組件。該靶組件包括靶和構(gòu)造成支撐該靶的螺旋形溝槽軸承(SGB)。該SGB包括具有第一表面和附于第一表面上的第一材料的可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件；具有第二表面和附于第二表面上的第二材料的靜止構(gòu)件，該靜止構(gòu)件被定位成使得間隙形成在第一材料與第二材料之間；以及被定位在該間隙中的液態(tài)金屬，其中第一和第二材料中的至少一者含有鉭。按照本發(fā)明的另一實(shí)施例，靶組件包括具有附于其外表面上的第一材料的軸；構(gòu)造成支撐靶并具有附于其內(nèi)表面上的第二材料的套管；以及被定位在第一材料與第二材料之間的液態(tài)金屬，其中第一和第二材料中的至少一者含有鉭。根據(jù)本發(fā)明的再另一實(shí)施例，一種制造用于χ射線管的靶組件的方法包括如下步驟提供具有外表面材料且具有外徑的軸；提供套管，該套管具有暴露套管的內(nèi)表面材料的孔口，其中內(nèi)表面材料的直徑大于外表面材料的外徑；將第一層涂敷到內(nèi)表面材料上；以及將第二層涂敷到外表面材料上。該方法還包括酸蝕第一層和第二層中的至少一者以從其去除氧化物，將靶附接在軸和套管中的一者上，將軸插入套管以形成軸套管組件，以及將液態(tài)金屬涂敷到軸套管組件的第一層和第二層中的一者上。 此書面描述使用了包括最佳模式在內(nèi)的實(shí)例來公開本發(fā)明，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利權(quán)的范圍通過權(quán)利要求來限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果此類其它實(shí)例沒有不同于權(quán)利要求的文字語言所描述的結(jié)構(gòu)元件，或者它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為此類其它實(shí)例包括在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種χ射線管(4)，包括: 陰極(36)；以及靶組件，其定位成接收從所述陰極發(fā)射的電子，所述靶組件包括 靶(32)；以及構(gòu)造成支撐所述靶(3 的螺旋形溝槽軸承(SGB) (34)，所述SGB (34)包括 可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件02，58)，其具有第一表面和附于所述第一表面的第一材料(72，74，76)；靜止構(gòu)件(41)，其具有第二表面和附于所述第二表面的第二材料(70，78，80)，所述靜止構(gòu)件Gl)定位成使得間隙形成在所述第一材料(72，74，76)與所述第二材料(70，78，80) 之間；以及定位在所述間隙中的液態(tài)金屬(50)；其中所述第一材料和第二材料(70，72，74，76，78，80)中的至少一者包括鉭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的χ射線管G)，其特征在于，所述可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件(42，58)和所述靜止構(gòu)件Gl)中的一者包括304不銹鋼和316不銹鋼中的一者。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的χ射線管G)，其特征在于，所述靜止構(gòu)件Gl)包括中心軸并且所述可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件(42，58)包括套管，所述套管具有被附接在其上的靶(32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的χ射線管，其特征在于，所述SGB(34)還包括第三材料(82)，其定位在所述可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件02，58)與所述第一材料(72，74，76)之間；以及第四材料(82)，其定位在所述靜止構(gòu)件與所述第二材料(70，78，80)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的χ射線管G)，其特征在于，所述第三材料(82)和所述第四材料(8 中的一者包括銅焊材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的χ射線管G)，其特征在于，所述液態(tài)金屬(50)包括鎵和鎵的合金中的一者。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的χ射線管G)，其特征在于，所述可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件(42，58)和所述靜止構(gòu)件Gl)中的一者包括難熔金屬或難熔金屬合金、超合金、Kovar 、工具鋼、I^eNi 合金、馬氏體時效鋼、Glidcop 和不銹鋼中的一者。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線管G)，其特征在于，所述可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件(42，58)和所述靜止構(gòu)件中的一者包括具有低于10%的鉻含量的鐵基材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于液態(tài)金屬軸承的界面及其制造方法，具體而言，x射線管(4)包括陰極(36)和被定位成接收從該陰極發(fā)射的電子的靶組件。該靶組件包括靶(32)，以及構(gòu)造成支撐該靶(32)的螺旋形溝槽軸承(SGB)(34)。SGB(34)包括具有第一表面和附于第一表面上的第一材料(72，74，76)；具有第二表面和附于第二表面上的第二材料(70，78，80)的靜止構(gòu)件(41)，該靜止構(gòu)件(41)被定位成使得間隙形成在第一材料(72，74，76)與第二材料(70，78，80)之間；以及被定位在該間隙中的液態(tài)金屬(50)，其中第一和第二材料(70，72，74，76，78，80)中的至少一者包括鉭。
文檔編號H01J35/24GK102194632SQ20111004276
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者M·A·拉思羅普 申請人:通用電氣公司