DE2840995A1 - Elektrode zur erzeugung von zuendfunken und zuender mit einer solchen elektrode - Google Patents
Elektrode zur erzeugung von zuendfunken und zuender mit einer solchen elektrodeInfo
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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.
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.
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-
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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- 13 -
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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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80981 A/0820
Claims (1)
- 28A0395J 21 ? 176Anmelder: JOHNSON MATTHEY δ CO"T^^TY LIMITED,43 Hatton Garden, London RC1N 3ΞΞ, EnglandTitel: Elektrode zur Erzeugung von Zündfunken und Zünder mit einer solchen ElektrodePatentanspruchsM1/ 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.19.9.78 - 2 -909814/0820ORIGINAL 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.J 21 P 17619.9.78 - 3 -8096U/082Ö
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