DE2645759A1 - Verbesserte zuendvorrichtung, elektrode und elektrodenmaterial - Google Patents

Description

Verbesserte Zündvorrichtung/ Elektrode und Elektrodenmaterial

Die Erfindung betrifft FunkenzUndvorrichtungen, insbesondere eine Zündelektrode und das Elektrodenmaterial.

In verschiedenen Krafterzeugungsanlagen, beispielsweise in Gasturbinentriebwerken usw., wird die Verbrennung durch eine Funkenzündvorrichtung oder Zündkerze eingeleitet, welche nachstehend als Zündkerze bezeichnet wird. Die Zündkerze enthält zwei Elektroden, zwischen denen eine elektrische Entladung ausgelöst wird, um das
brennbare Gemisch zu zünden oder bei einer kontinuierlichen oder
Dauerbetriebsart die kontinuierliche Stabilität des Verbrennungsvorgangs zu fördern. Da der Verbrennungsvorgang im allgemeinen
aus einer schnellen Oxidation besteht, besteht ein wichtiges

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Merkmal einer Zündkerzenelektrode darin, daß sie bei den in der Verbrennung erzeugten Temperaturen, beispielsweise bis zu etwa 1100 C , eine ausreichende Beständigkeit gegen Oxidation besitzt. Eine Zündelektrode muß auch noch eine ausreichende Beständigkeit gegenüber Erosion durch die Bogen- oder Funkenentladung besitzen, bei der an der Entladungsfläche Temperaturen von mindestens etwa 2450 ⁰C auftreten.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung in einer Ausführungsform eine verbesserte Zündelektrode oder eine Elektrode für eine Zündkerze, welche aus einem verbesserten Material aufgebaut ist, das etwa 2-16 Volumenprozent eines Oxides von einem oder mehreren der Materialien Y, Th und der Elemente der Seltenen Erden enthält, wobei der Restgehalt des Materials aus einem der Elemente Ru, Ir oder ihren Legierungen besteht. In seiner bevorzugten Form besteht das verbesserte Material im wesentlichen aus etwa 2-12 Volumenprozent des Oxides und der Restgehalt besteht aus den Elementen Ru und Ir^ und insbesonders enthält das Material 4-8 Volumenprozent an Y₀Oo und der Rest ist Ru.

Die Abbildung zeigt in Form einer Kurve den Gewichtsverlust der Elektrode in Abhängigkeit von dem Gehalt an Y9O3 ^^η ^^υ·

Es folgt nachstehend eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen. FunkenzUndvorrichtungen oder Zündkerzen sind relativ kritische Bauteile von Gasturbinentriebwerken, beispielsweise in den Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen. Sie müssen unter ungünstigen Umgebungsbedingungen zuverlässig sein und eine lange Lebensdauer besitzen. Ihre Elektroden sind aus Hochtemperatur-Legierungen oder metallischen Materialien hergestellt und müssen eine hohe Beständigkeit gegen die Erosion durch die Funkenentladung und gegenüber einer Oxidation besitzen.

Während der Wartung wurde beobachtet, daß eine Zündkerze infolge

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einer Erosion der Elektrodenspitze ausfallen kann, die sich aus der Kombination der Funkenerosion und der Oxidation ergibt* Ein solcher Ausfall kann dazu fuhren, daß andere Bauteile stromabwärts von der Zündkerze durch Aufprall des Fremdobjektes beschädigt werden, beispielsweise Teile in der Turbine. Es wird angenommen, daß die Vorhersagbarkeit der Funkenerosion von Materialien in den komplexen Verhältnissen der Verbrennung relativ gering ist, wie man sie in einem Gasturbinentriebwerk antrifft. In einer inerten Umgebung steigt jedoch die Beständigkeit gegen Funkenerosion an mit der Erhöhung der Schmelztemperatur und mit dem Absinken des Dampfdruckes. Es ist jedoch erwUnscht, daß der Schmelzpunkt, der Siedepunkt und die Verdampfungswärme eines ZUndkerzenelektrodenmaterials so hoch wie möglich sind. Dies wurde durch die Untersuchung von Zündkerzen bestätigt, welche in Gasturbinentriebwerken moderner Produktion verwendet wurden und beispielsweise Elektroden auf der Grundlage von Legierungen auf Nickelbasis und Legierungen auf Wolframbasis verwendeten.

Eine Untersuchung der Eigenschaften der Metalle deutet darauf hin, daß nur relativ wenige Metalle die Kombination von Eigenschaften aufweisen, welche fUr ZUndelektroden ideal ist. Die feuerfesten Metalle, beispielsweise W, Re, Ta, Mo und Cb zeigen eine hohe Beständigkeit gegen Funkenerosion; sie besitzen jedoch eine geringe Oxidationsbeständigkeit und müssen bei einer Temperatur unterhalb von etwa 540 C gehalten werden. Die oxidationsbeständigen Legierungen auf der Basis von Ni, Fe und Cr besitzen niedrige Schmelzpunkte und hohe Dampfdrucke· Es wurde erkannt, daß solche Edelmetalle wie Ir, Ru, Pt, Pd und Rh eine gute Oxidationsbeständigkeit besitzen. Die Edelmetalle Pt, Pd und Rh besitzen jedoch bedeutend niedrigere Schmelztemperaturen und Siedetemperaturen als die Metalle Ru und Ir, welche eine mittlere Erosionsbeständigkeit besitzen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Verbesserung der Funkenoder Bogenerosionsbeständigkeit von Ru und Ir der Zusatz von Oxiden der Elemente Y, Th und der Elemente der Seltenen Erden, beispielsweise Y₀O-, zu den Elementen Ru, Ir oder ihren Legierungen in einer Menge vorgesehen, welche einem Zündelektrodenmaterial die Kombination

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der Eigenschaften einer verbesserten Funkenerosionsbeständigkeit und einer guten Oxidationsbeständigkeit verleiht und es gleichzeitig fUr die Verarbeitung zu einer Elektrode geeignet macht.

Während der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurden eine Vielzahl von Materialien und Kombinationen von Materialien vom Standpunkt der Oxidationsbeständigkeit und auch der Funkenerosionsbeständigkeit untersucht. Zur Feststellung der relativen Funkenerosionsbeständigkeit für die einzelnen Materialien wurde als Prüfgerät eine handelsmäßig erhältliche Maschine zum Bohren von Löchern mittels einer elektrischen Entladung benutzt, wobei ihre Elektrode aus einem Probestück des zu untersuchenden Zündelektrodenmaterials bestand. Diese Probestücke waren Stangen, welche auf einen Durchmesser von etwa 2,3 mm geschliffen wurden und bei denen die Enden einen quadratischen Querschnitt besaasen. Solche Probestäbe wurden zum Bohren von Löchern benutzt durch eine Platte mit einer Dicke von etwa 1,65 mm, die aus einer Hochleistungslegierung auf Nickelbasis bestand, die handelsmäßig als Legierung Rene¹ 41 erhältlich ist und in der US-Patentschrift 2 945 758 beschrieben wird. Die Einstellung der Maschine wurde dabei konstant gehalten und der Bohrvorgang erfolgte bei Umgebungstemperatur. Es wurden dabei Meßwerte für den Elektrodenverschleiß einschließlich des Gewichtsverlustes, der Längenabnahme und der Änderung im Radius der Spitze erhalten. Die folgende Tabelle zeigt ausgewählte Daten aus den Ergebnissen dieser Messungen.

Tabelle

	Elektrodenverschleiß	Gewichtsverlust in mg
Elektroden- Material	Längenabnahme in mm (mils)	86,6
Hastelloy X	ca. 1,88 (74,0)	20,4 23,9
Ru Ir	ca. 0,20 (10,2) ca. 0,13 (5,0 )	14,1 12,7
Ru + 2 Vol.% Y2O3 Ru + 4 Vol.> Y9O-	ca. 0,18 ( 7,0) ca. 0,165 ( ό,5)

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Aus diesen Daten ist deutlich ersichtlich, daß die Oxidzusätze die Erosionsbeständigkeit in bedeutendem Masse verbessern. In der vorstehenden Tabelle sind Daten für die Legierung Hastelioy X enthalten. Dies.· ist eine Hochleistungslegierung auf Nickelbasis, wie sie gewöhnlich als Elektrodenmaterial in Gasturbinentriebwerken verwendet wird, und sie besteht aus 18,5 Gew.Ji Fe, 22 Gew.% Cr, 9 Gevf.% Mo, 0,6 Gew.j£ W, 1,5 Gew.^ Co mit Rest Ni. Diese Daten zeigen den sehr bedeutenden Unterschied zwischen der Legierung Hastelioy X und den aus Ru und Ir hergestellten Proben, wobei die Proben mit Ir noch eine weitere Verbesserung gegenüber den Proben mit Ru zeigen. Obwohl der Gewichtsverlust für Ir größer ist als für Ru muß man erkennen, daß das Atomgewicht von Ir nahezu doppelt so groß ist wie das von Ru und damit sein Gewichtsverlust pro Volumeneinheit bedeutend niedriger ist. Die Wahl von Ru für das bevorzugte Material der vorliegenden Erfindung beruht vielmehr auf den derzeitigen Kosten und nicht auf einem schlechteren Verhalten von Ir im Vergleich zu Ru.

Wie durch den Zusatz von Y9O3 zu Ru gezeigt, erreicht man eine ungewöhnliche Erhöhung der Funkenerosionsbeständigkeit; beispielsweise wird die Erosionsbeständigkeit des Elektrodenmaterials auf der Basis von Ru allein durch Zusatz von etwa 4 Volumenprozent von Y9O3 ^e*^wa verdoppelt. Die gleiche Verbesserung kann für Zusätze aus den Oxiden von Th und aus den Oxiden der Metalle der Seltenen Erden erwartet werden.

Bei einer Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde der Einfluß von Zusätzen von Y9O3 ^zu R" in dem gleichen Testvorgang bewertet, wie er vorstehend in Verbindung mit den Daten der Tabelle beschrieben wurde. Die Ergebnisse dieser Auswertung sind in der Kurvendarstellung der Abbildung enthalten, wobei die Größe des Zusatzes in Volumenprozent von Y9O3 ^zu ^^υ mi* dem Gewichtsverlust der Elektrode verglichen wird. Wie die Daten der Abbildung zeigen, steigt mit ansteigendem Gehalt an YoOo die Funkenerosionsbeständigkeit der Elektrode an. Die Auswirkung des Oxidzusatzes ist jedoch verschieden

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im Bereich von etwa 2 Volumenprozent oder darunter und bei einem Gehalt des Zusatzes oberhalb dieses Wertes: ein geringer Gehalt von YoOo bewirkt zunächst eine Abnahme des Gewichtsverlustes der Elektrode. Diese Abnahme des Gewichtsverlustes steigt jedoch nicht wesentlich an bis zu einem Zusatz von etwa 20 Volumenprozent. Daher wird erfindungsgemäß ein ungewöhnliches Ergebnis erhalten durch die Einfügung von mindestens etwa 2 Vol./fc und vorzugsweise mindestens etwa 4 Vol./έ solcher Oxide wie beispielsweise YoOq.

In einer weiteren Einschätzung der Erfindung wurden Herstellungsverfahren zur Anfertigung von Elektroden aus Ru untersucht, bei denen verschiedene Anteile von Y9O3 ^zu9^ef^u9* wurden. Die Materialien Ru und YoOo in Pulverform wurden zur Herstellung von Gemischen miteinander vermischt, welche 8, 12, 16, 20 und 24 Volumenprozent an Y9O3 enthielten. StabprobestUcke gemäß der vorstehenden Beschreibung wurden durch Pressen und Sintern gefolgt von einem Schleifvorgang und einer Wärmebehandlung hergestellt. Es wurden nach einer Verkürzung der Stäbe um 30% und um 60/6 radiografische Untersuchungen vorgenommen. Diese Untersuchungen zeigten eine Tendenz zum Reissen und zum Zerbrechen in kurze Stücke für die höheren Prozentgehalte von Yttrium ( 20 und 24 Vol.%). Aus den Stäben mit 8, 12 und 16 Vol.Ji von Y9O3 wurden dauerhafte Stabproben hergestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher nicht nur der Vorteil solcher Merkmale wie der Funkenerosionsbeständigkeit durch Zusatz solcher Oxide wie Y9O3 erkannt, sondern auch die Beschränkung des Oxidgehaltes des Materials, welche eine praktische Herstellung gestattet. Daher ist die vorliegende Erfindung durch den Bereich des Oxidzusatzes von etwa 2-16 Vol./6 definiert. Weiterhin wurde besonders erkannt, daß solche Zusätze im Bereich von 2-12 Vol.jS und vorzugsweise von 4-8 Vol.% besonders vorteilhaft sind.

Vorstehend wurde die Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten Beispielen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch leicht erkennen, daß Abwandlungen innerhalb der umfassenderen Konzeption der Erfindung dadurch vorgenommen werden können und Oxide solcher Elemente wie Y, Th und die Elemente der Seltenen Erden zu solchen Metallen

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wie Ir und Ru zugefügt werden können zwecks Verbesserung der Beständigkeit gegen die Funkenerosion und gegen die Oxidation, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Verbessertes metallisches Material für eine Zündelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß es etwa 2 - 16 Vol./'ό mindestens eines Oxids aus der Gruppe der Oxide von Y, Th und der Elemente der Gruppe der Seltenen Erden enthält, wobei der Rest aus einem Element ausgewählt aus Ru, Ir und ihren Legierungen besteht.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxid im Bereich von etwa 2-12 Vol.?£ vorhanden ist.

3. Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Oxid im wesentlichen Yo^o i-^m Bereich von etwa 4-8 Vol./£ enthält und als Rest Ru enthält.

4. Zündelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material besteht, das etwa 2 - Io Vol./» mindestens eines der Oxide von Y, Th oder eines Elementes der Gruppe der Seltenen Erden enthält, und der Rest aus Ru oder Ir oder deren Legierungen besteht.

5. Zündelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material besteht, das als Oxid im wesentlichen YoOo im Bereich von etwa 4-8 Vol.$ enthält, und der Rest Ru ist.

ό. Zündvorrichtung zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zündelektrode nach Anspruch 4 enthält.

7. Zündvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Zündelektrode nach Anspruch 5 enthält.

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