DE2840995A1 - Elektrode zur erzeugung von zuendfunken und zuender mit einer solchen elektrode - Google Patents

Description

28A0995 - χ -

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden, insbesondere auf Zündelektroden, wie sie zum Zünden brennbarer Gemische von Gasen und Dämpfen verwendet werden, beispielsweise bei Kolbenbrennkraftmaschinen, Gasturbinen und Strahltriebwerken.

Nach den Angaben einer Luftfahrtgesellschaft, die eine große Luftflotte unterhalt, haben die heutigen Zünder bei je 1000 Flugstunden eine Ausfallquote von regelmäßig nahezu 0.5. Im Jahre 1975 mußten 250 mal Zünder ausgewechselt werden, ohne daß das programmgemäß vorgesehen war. Dabei ist zu bedenken, daß in jedem Fall die Erosion einer Elektrode für deren Ausfall verantwortlich ist.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Zünders mit Elektroden, die nicht in dem geschilderten Umfang der Erosion und dem Ausfall unterliegen. Bei der Lösung dieser Aufgabe muß im Auge behalten werden, daß Elektroden für den genannten Zwack folgende Eigenschaften haben müssen.

a) Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation,

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b) Widerstandsfähigkeit gegen Lichtbogen-Erosion,

c) Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzen durch Blei und Schwefel,

d) hohe Teraneraturstabiliät, insbesondere eine Schmelz- und Zerfalltemperatur über 1400⁰C.

In der Orioritätsgleichen GB-Anmeldung 39573/77 der gleichen Anmelderin mit dem Titel "coating or cladding materials for metallic substrates" ist der Gebrauch einer oder mehrerer metallischer Verbindungen beschrieben und beansprucht, die die Abnutzungs- und Temperaturwiderstandsfähigkeit von metallischen Substraten erhöhen sollen, insbesondere von Gegenständen, wie Turbinenschaufeln, die aus einer hochfesten Legierungsstruktur bestehen.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird nun eine Elektrode vorgeschlagen, bei der zumindest ein Teil der Arbeitsfläche eine oder mehrere metallische Verbindung(en) nach der allgemeinen Formel AxBy enthält, worin A bedeutet Be, Al, Sc, Y, eines der Lanthaniden Si, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb oder Ta, worin weiter B ist Ru, Pd, Ir oder Pt und worin χ und y ganze Zahlen= 1 sind.

Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung enthält ein Zünder zwei oder mehrere durch einen Körper aus isolierendem

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oder halbleitendan Material gegeneinander separierten Elektroden, die Arbeitsflächen aufweisen, zwischen denen sich Funken ausbilden können, wobei zumindest ein Teil der Arbeitsflächen eine oder mehrere metallische Verbindung (en) nach der allgemeinen Formel AxBy enthält, worin A ist Be, Al, Sc, Y, eines der Lanthaniden Si, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb oder Ta, worin weiter 3 ist ^u, Rh, Pd, Ir oder Pt und worin schließlich χ und γ ganze Zahlen ■^1 sind.

χ und γ sind im allgemeinen ganze Zahlen zwischen 1 und Eine Liste intermetallischer Verbindungen mit ihren Schmelzpunkten oder Zerfallstemperaturen ist Gegenstand der Tafel 1, Vorzuziehen ist die Verwendung der nominalen Zwischenphasen AB der Elemente Nb und Ta mit Rh und Ir. In jeder Verbindung, d.h. gleichgültig welchen Wert χ und y haben, erwiesen sich diese Verbindungen als angemessene Alternativen zu gegenwärtig verfügbaren Elektrodenmaterialien. Sie sind ungewöhnlich verformbar. Einzelheiten sind in Tafel 2 enthalten. Diese vier Kombinationen sind jedoch nicht die einzigen, unter allen Umständen zu bevorzugenden Kombinationen. Andere Kombinationen sind AlPt₃, AlPd und RuZr. Eine vollständigere Liste sind die folgenden:

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Ir Verbindungen

HfIr3	HfIr	PrRu2	TaPd3	Hf5Ir3
TaIr3	TaIr	CeRu9	HoPd
NbIr3	Nb3ir	LaRu2	DyPd	NbIr
TiIr	TiIr3	Pd Verbindungen	ErPd	Ti3Ir
VIr3	V3Ir	TaPd	YPd	VIr
Ru Verbindungen	HoPd3	ZrPd
W3Ru2	DyPd3	NbPd3
TiRu	ErPd3
ZrRu	YPd3	AlPd2
ZrPd3
Wb2Pd	TiPd4	TaPd2
GdPd3		Ho4Pd5
AlPd		Dy4Pd5
SmPd3	Er4Pd5
TiPd3	Y4Pd5
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Hf₂Ir

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Pd Verbindungen (Fortsetzung von S. 6) MnPd

ThPd₃ ThPd BePd

YbPd ^3^4 CePd₃

EuPd₃

SiPd

Rhodium Verbindungen	TaRh	HfPt3
TaRh3	NbRh	ZrPt 2r2Pt
NbRh3	NdRh2 Nd4Rh3	TiPt
NdRh3	Platin Verbindungen	VPt
HfPt5	YPt5
ZrPt3	AlPt A-I3Pt2
TiPt3
V3Pt
YPt
AlPt3
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Al₃Pt₅ Al₂Pt

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• a-

Viele der intermetallischen Verbindungen mit der Formel AxBv sind miteinander mischbar, und wo zwei oder mehr intermetallische Verbindungen verwendet werden, kann dies in der Form einer Mischung aus diesen Verbindungen geschehen.

Derzeit im Verkehr befindliche Spezialzünder für die Anwendung bei Schneemobilen, Kettsnsägen, Hochleitungsniaschinen und insbesondere Flugzeugkolbenmotoren, verwenden normalerweise HT-Elektroden aus Edelmetall, wie Iridium oder Platin, oder Edelmetall-Legierungen, wie Platin-Iridium-Legierungen, Platin-Tungsten-Thorium-Legierungen oder Gold-Palladium-Legierungen u.a. Billigere Alternativen werden ständig gesucht und in der Vergangenheit wurde dabei die Aufmerksamkeit insbesondere auf Ruthenium gerichtet. Intermetallische Ilaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung wurden bereits mit verschiedenen zweckmäßigen Konturen erfolgreich gefertigt, und zwar sowohl für Luftspalt- als auch Halbleiter-HT-Elektroden. Sie haben sich als wesentlich dauerhafter erwiesen als solche mit Ru oder Tungsten, wie das nachfolgende Beispiel zeigt.

Beispiel

Unter Verwendung einer Ru-Elektrode als Vergleichsgrundlage wurden Tests unter Verwendung eines Zünd-Elementes in einer Zündvorrichtung durchgeführt, die der Zünderspitze 22 - 26 KV

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zuführte mit einer je Zünder gespeicherten Energie von nominell 4 Joul. Die Zündfrequenz wurde auf 2 sps Zündungen je Sekunde) eingestellt. Die ofengasteuerte Temperatur um die Zündersoitze herun betrug 600 C. Diese Bedingungen sind die Bedinaungen eines JT9D Turbofan-Triebwerkes .

Nach einem Dauerbetrieb von 25 Stunden mit ununterbrochener Zündung zeigte die Vergleichselektrode deutlich Spuren von Lichtbogenerosion. Die intermetallischen Elektroden aus Pt-Al, NbIr und TaIr zeigten minimale Kantenregression infolge Lichtbogenerosion und geringe Zeichen von Oxidationsangriffen. Die Elektroden waren als stabförmige Bauteile im Sauggußverfahren hergestellt worden. Ähnliche Resultate wurden bei Elektroden erzielt, die gem?.ß der Erfindung aus den folgenden intermetallischen Materialien hergestellt worden waren:
NbPJi, TaRh, TiPt, TaPt, TaPd, HfPt₃ und TaRh₃.

In einer Turbine kann ein erfindungsgemäßer Zünder mit Oberflächenentladung oder als Halbleiterelement ausgebildet sein. Sie können ebenso für den Gebrauch bei Luftspalt-Hochspannungssystemen ausgebildet sein.

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. 40.

Die verwendeten intermetallischen Verbindungen können durch mehrere verschiedene Techniken auf der Basis einer Niedrigkosten-Metall-Legierung verwendet werden. Beispiele sind chemisches Aufdampfen, Sputtering (im Vakuum aufdampfen bzw. aufsprühen) und Platinieren (gefolgt von einer besonderen Diffusionsbehandlung). Kormalerweise werden sia bei HT-Elektroden angewendet, obwohl bei bestimmten Anwendungen sowohl HT- als auch Masseelektroden mit den in Rede stehenden Materialien beschichtet werden können oder aus diesen Materialien hergestellt werden können. Werden die in Rede stehenden Materialien zum Beschichten verwendet, so kann die maximale Haltbarkeit bei Beschichtungsdicken zwischen 2 und 15 Mikron erhalten v/erden.

Andere Anwendungsfälle, für die erfindungsgemäße Elektroden in besonderem Maße geeignet sind, sind die folgenden: Automobilzündkerζen (sowohl Mittel- als auch Masseelektroden), Zündkerzen für Kolben-Flugmotoren (wo sie als dünne Drahtelektroden angewendet werden können) und überall dort, wo über lange Zeit eine zuverlässige Zündung von brennbaren Gasen oder Dämpfen gewährleistet werden soll.

Spröde intermetallische Verbindungen können auch in eine leitende Matrix als eine intermetallische Dispersion.eingearbeitet werden.

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In der Form einer Zusammenfassung kann die Erfindung als eine insbesondere für Zünder zum Zünden von brennbaren Gemischen in Brennkraftmaschinen, Turbinen und Strahltriebwerken bestimmte Elektrode mit verbesserter Erosionswiderstandsfähigkeit und verringerter Ausfallquote definiert werden, wobei diess Vorteile dadurch erzielt werden, daß zumindest ein Teil der Wirkfläche der Elektrode eine oder mehrere der intermetallischen Verbindungen der allgemeinen Formel AxBy enthält, worin A bedeutet Be, Al, Sc, Y, eines der Lanthaniden, Si, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb oder Ta, worin B bedeutet Ru, Rh, Pd, Ir oder Pt und worin schließlich χ und y ganze Zahlen —· 1, vorzugsweise =. 5 sind.

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/la-

Tabelle 1

Intermetallische Verbindungen ((A PGM) ) und

χ y

deren Schmelzpunkt bzw. Dissoziationstemperatur.

Verbindung	(0C)	Verbindung	. (0C)	Verbindung	(°c>	Verbindung	(°C)
Schmp.	2470	Schmp	1860	Schmp.	1550	Schmp.	1420
IfIr3	2450	TaRh(C1)	1850	TiPd	1540	NdRh.	1420
TeIr3	2440	*-VIr	1833	ErPd	1539	Nd4Rh3	1415
BfIr	2435	TiPt	1800	CeRu	1521	Λ3Μ4	1412
MbIr3	2300	V3PtU)	' 1730	Al3Pt2	1520	ThPd	1410
V3Eu2	2200	HoPd3	1727	Ti3IrU)	1500	I4Pd5	1410
TaPd	2175	Zr2Pt	1720	MnPd	>1500	AlPd2	14Ο6
WPt5	2154	Hf2Ir	1710	Thlr's	>1500	Al2Pt	1 -^^ü
ZrPt3	2150	DyTd3	1710	ThPt's	>1500		1 4 OO
TiIu	2140	ErPd3	1700	ThPd3	1500	814*9	1400 I
TiIr	2130	IPd3	1681	VPt	14S0	SiPd	I
■m3	2125	PrRu2	1670	ZrPd2	1480		1
Me3Ir	2120	ZrPd3	1670	HoPd	1465
TeJH*,)	2115	TaPd2	1650	BePd	14«
Ir3Ti(Y)	2104	ITb2Pd	1630	Al3Pt5	1460
SrPt	2100	GdPd3	1630	TbPd	1452
XrRu	2100	AlPd	1620	TiPd4	1450
IC-YIr3	2100	SmPd3	1600	IPd	1450
TaRh3(^1)	19*5	NdRh	1600	Er4Pd5	1450
MbIrU2)	1953	ZrPd	1600	DyPd	1437
TlPt3	1950	NbPd	1595	CePd3	1431
HbIh3	1930	IPt	1595	LaRu2	1430
*5ΐΓ3	1930	IPt5	1556	NbRh(*)	1430
*-*3Ir	t92O	AlPt	1554	Ho4Pd5	1425
TaPd3	AlPt	EuPd3

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/IS-

-y - Tabelle

ϊ '-ft

Die in dtp SyattoMn Ta-Rh, Ta-Ir, Nb-Rh und Kb-Ir gefunden dauerhaften, festen aber verformbaren Phasen.

System	duktile Phase	Kristall Struktur	stabiler Zusamnen- setzungabereich	Brtmischuixj '
Ta-Bh	ac l	ortharhanbik ader hexagonal ?	53.5-61 at.pct.Rh at 13OOC	j i Peritektoid ; -~ I860 C
Ta-Ir	dC 1	orthorhanbik	50.4 at.pet.Ir at 1950 C und61 at.pet. Ir at 212O°C	Peritektikum ' ^,212O0C I
1*>-Rh	< 2	TetrAj.onal Ll0 AuCu	51.5 to 52.5 at.pct. Rh 1200 C	I Peritekboirf ■' ^-136O0C I
	c< 3	Orthorhaifcik <X 1 (Ta-Rhj	- 54.0 to 55.5 at pet.Rh at 120QTC	I Peritektoid -^143OC
	r< 4	Orthorhanbik BI9 AuCd	Jt ^ 56 to 58.5 at pet. m at 1400°C	Peritektoid — 1600 C ι Eutektoid —134O°C
ttr-Ix	<* 2	Orthothanbik -< 1 (Ta-Rh)	54.5 to 59.5 at pet. Ir at 1700 C	P«citektikum ~1985 C

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Claims (1)

1. 28A0395

   J 21 ? 176

   Anmelder: JOHNSON MATTHEY δ CO"^T^^TY LIMITED,

   43 Hatton Garden, London RC1N 3ΞΞ, England

   Titel: Elektrode zur Erzeugung von Zündfunken und Zünder mit einer solchen Elektrode

   Patentanspruchs

   M₁/ Elektrode, dadurch g^kenrzeichnet, da3 zumindest ein Teil ihrer IJirkfl^che eine oder mehrere intermetallische Verbindung (en) der allgemeinen Formel AxBy enthalt, worin A bedeutet Be, Al, Sc, Y, eines der Lanthaniden, Si, Ti, Zr₇ Hf, Th, V, Nb oder Ta, worin B bedeutet Ru, Rh, Pd, Ir oder Pt und worin schließlich χ und γ ganze Zahlen = 1 sind.

   2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß χ und y = 5 sind.

   3. Elektrode nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Mischung von zwei oder mehr metallischen Verbindungen ist.

   4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erfindungsgemäß ausgestaltete Teil der Wirkfläche mit einem Material beschichtet ist, das zumindest eine der genannten intermetallischen Verbindungen enthält.

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   ORIGINAL INSPECTED

   •a-

   5. Elektrode nach Ansnruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Dicke zwischen 2 und 15 'likron hat.

   6. Zünder für brennbare 'iischunaen von Gasen nit zwei oder mehr Elektroden, die durch isolierendes oder halbleitendes Material gegensinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden gemä3 einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet und zum übertragen von Zündfunken bestimmt sind.

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