DE3039479A1

DE3039479A1 - Hochtemperaturbestaendiger gegenstand, halter und puffer fuer diesen gegenstand

Info

Publication number: DE3039479A1
Application number: DE19803039479
Authority: DE
Inventors: Darolia West Chester Ohio Ramgopal
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-10-22
Filing date: 1980-10-18
Publication date: 1981-09-03
Also published as: GB2060856B; JPS5666423A; FR2467980B1; US4312599A; FR2467980A1; IT8022393A0; GB2060856A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf bei hoher Temperatur einsetzbare Teile aus einem Material geringer Duktilität und insbesondere auf keramische Teile zum Einsatz bei hoher Temperatur wie in Gasturbinen.

Die Bedingungen hoher Temperatur und starker Oxidation im Verbrennungs-Turbinen- und Auslaßteil einer Gasturbine haben unter bestimmten Bedingungen zur Beschädigung oder Verkürzung der Lebensdauer der Bauteile geführt. So sind thermische Ermüdungen und andere"thermische Belastungen die Ursache für eine Ersetzung oder übermäßige Reparatur von Metallkomponenten gewesen.

Wegen ihrer guten Eigenschaften bei hoher Temperatur sind keramische Materialien versuchsweise als Teile für die bei hoher Temperatur betriebenen Abschnitte von Gasturbinen eingesetzt worden. Eine Eigenschaft solcher keramischen Teile ebenso wie der sehr hochtemperaturbeständigen Metalle ist eine geringe Duktilität, d. h. sie sind spröde und haben nur eine geringe Schlagfestigkeit bzw. -beständigkeit. Es gibt eine hohe Neigung in solchen Teilen Risse zu bekommen, die von mechanischen Zwängen herrühren, die aufgrund einer thermischen Fehlanpassung bei der Ausdehnung von metallischen Stütz- oder Halteteilen herrühren. Um ein Teil aus einer Keramik oder einem ähnlich gearteten Material in einer Gasturbine oder einer anderen bei hoher Temperatur betriebenen Vorrichtung einzusetzen, sind daher Einrichtungen erforderlich, um ein solches Teil zu halten und zu puffern oder die Zwänge zu überwinden, die von einer thermischen Fehlanpassung mit einem Halteteil herrühren können.

Um die Fehlanpassung in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Metallstützen und keramischen Teilen möglichst gering zu machen, sind im Stand der Technik Anordnungen wie die Verwendung abgestufter Schichten zwischen dem Metall- und dem Keramikteil, die Verteilung von Metall innerhalb der Keramikstruktur zur Bildung eines Verbundkörpers oder die Verwendung

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eines faserförmigen Metallfilzes als Bindeschicht zwischen dem Metall- und dem Keramikteil beschrieben worden. All diese"Arten des Herangehens an dieses Problem führen aber zu einer.unbefriedigenden Ermüdungsbeständigkeit, wie sich durch die Abspaltung oder Trennung- der Keramik von der Metallstütze in thermischen Schocktests zeigt.

Die andere Art des Herangehens bestand in der Verwendung einer duktilen Metallfolie, wie aus Platin oder einer Kobaltlegierung, die im Handel unter der Bezeichnung L6O5 erhältlich ist. Diese Folien verformen sich jedoch und oxidieren und sind daher nicht für lange Dauer brauchbar.

Durch die vorliegende Erfindung ist gemäß einer Ausführungsform ein hochtemperaturbeständiger 3,'uffer für einen Gegenstand geringer Duktilität, wie aus einem keramischen Material, vorgeschlagen. Dieser Puffer umfaßt einen flexiblen, faserförmigen, elastischen, hochtemperaturbeständigen Kern, der mit einer hochtemperaturbeständigen Metallfolie ausreichender Duktilität bedeckt ist, so daß die Folie um den Kern herum geformt werden kann. Kern und Folie sind weiter dadurch charakterisiert, daß sie einer Temperatur von mindestens etwa 540 C widerstehen können. Ein solcher Puffer kann in verschiedenen Formen geschaffen werden, wie als ringförmige Buchse, als im wesentlichen planare oder geformte Decke usw., wobei diese Puffer entweder allein oder an Stützteilen befestigt eingesetzt werden.

Gemäß einer anderen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen bei hoher Temperatur einsetzbaren Gegenstand, der einen Puffer in Kombination mit einem Metallhalter benutzt.

Bänder So kann z. B. ein Paar im Abstand voneinander angeordneter/oder Stützen ein Teil geringer Duktilität halten, wie aus keramischem Material, daß durch den oben beschriebenen, zwischen dem Metall und dem Keramikteil angeordneten Puffer geschützt ist. Das Teil geringer Duktilität kann auf verschiedene Weise zwischen solchen mit Puffer versehenen Metallabschnitten gehalten werden, z. B. indem man Stifte durch oder in das Teil hineinsteckt.

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Die vorliegende Erfindung schafft daher eine- verbesserte schützende bzw. puffernde Einrichtung zwischen einem Halte- oder Stützteil und einernTTeTl geringer Duktilität, das irgendwelche Fehlanpassungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten, die in dem Teil geringer Duktilität Risse verursachen können, kompensiert.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Flammenhalters, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gehalten ist,

Figur 2 eine Schnittansicht des Puffers nach der vorliegenden Erfindung in Form einer ringförmigen Buchse,

Figur 3 eine fragmentarische Perspektive Ansicht eines Flammenhalters, der gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung festgehalten ist,

Figur 4 eine perspektivische Schnittansicht eines Stützteiles nach Figur 3,

Figur 5 eine perspektivische fragmentarische Ansicht einer Flammenhalterbaueinheit einer Gasturbine mit keramischen Teilen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gehalten sind,

Figur 6 eine perspektivische Schnittansicht einer Haltestütze nach Figur 5 und

Figur 7 eine Schnittansicht des Auslösestoßbalkens (im Englischen "trip baffel") nach Figur 5, der gemäß der vorliegenden Erfindung festgehalten ist.

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Bei Gasturbinen, insbesondere solchen für Flugzeuge, ist es bei manchen Anwendungen erwünscht, das Prinzip des Nachbrenners zu benutzen, bei- dem zusätzlicher Brennstoff in das Abgas stromabwärts des Turbinenabschnittes injiziert wird. Da jedoch die Fließcharakteristika des Abgases Stabilitätsprobleme für die Verbrennung des Brennstoffes verursachen können, ist es allgemeine Praxis geworden, in den Abgasabschnitt einer solchen Gasturbine eine Art von Hindernis oder Flammenhalter einzuführen, wobei diese Struktur die geeigneten Strömungsmuster erzeugt, um das richtige Vermischen und Brennen der Mischung aus Brennstoff und Luft zu fördern.

Im allgemeinen sind solche Flammenhalter mit einer Querschnittskonfiguration versehen worden, die allgemein einem "V" oder einem "U" entspricht, wobei das verschlossene Ende in die Stromaufwärtsrichtung zeigt. Weil eine solche Komponente stark belastenden thermischen und oxidierenden Bedingungen ausgesetzt ist, sind Flammenhalter aus Metall aufgrund des Ausbrennens, Brechens oder anderer thermischer Belastungen nicht erfolgreich gewesen. In ähnlicher Weise sind Metallschaufeln, Schaufeleinsätze und verschiedene Arten von Ablenkblechen als Ergebnis ähnlicher belastender Betriebsdingungen thermisch überfordert worden. Um solche Begrenzungen seitens der Komponenten zu vermeiden, ist der Einsatz keramischer Materialien für solche Anwendungen vorgeschlagen worden. Der Unterschied zwischen gewissen Eigenschaften von keramischen und von metallischen Materialien hat jedoch Probleme verursacht. So haben keramische Materialien im allgemeinen eine geringe Duktilität, sind spröde und haben einen beträchtlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Metalle. Diese Charakteristika führen, verglichen mit denen eines Halteteiles aus Metall, zu einer merklichen Fehlanpassung, so daß das Halteteil aus Metall einen relativ starken mechanischen Druck oder Zwang auf die keramische Komponente ausübt, wenn sie auf relativ hohe Temperaturen erhitzt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Mittel, um eine solchen mechanischen Zwang zu vermeiden und kompensiert die Fehlanpassung aufgrund der thermischen Expansion mittels eines neuen Puf-

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fers zwischen einem keramischen Teil und einer Halteeinrichtung Ein solcher Puffer kann außerhalb des keramischen Teiles oder als ein übergangsteil zwischen einem Metallhalter und der keramischen Komponente angebracht werden. Es ist auch möglich, diesen Puffer in einer Ausnehmung innerhalb der keramischen Komponente z. B. als eine Buchse um einen metallischen Haltestift herum anzuordnen.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur zum Festhalten eines keramischen Flammhaltersegmentes gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieser Flammhalter 10 der Figur 1 besteht aus einer Siliziumcarbid-Keramik und ist als ringförmiges Teil oder Segment eines ringförmigen Teiles gezeigt, das einen V-förmigen Querschnitt aufweist. Der Flammhalter weist mehrere Haltezapfen 12 auf, von denen einer im Querschnitt gezeigt ist. Die Haltezapfen erstrecken sich vom Scheitel des Flammhalters aus und sind um die Peripherie des Flammhalters herum angeordnet. Der Flammhalter 10 ist zwischen einem Paar nebeneinander liegender Metallabschnitte 14 durch ein Sicherungsteil, wie einen Metallstab, ein Metallrohr oder einen Metallstift 16 gehalten. Um die thermische Fehlanpassung oder Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sicherungsteil 16 und dem keramischen Zapfen 12 zu kompensieren, ist ein Puffer 18, der in Figur 2 mehr im Detail gezeigt ist, in Form einer ringförmigen Buchse um das Halteteil 16 herum angeordnet.

Die in Figur 2 gezeigte Pufferbuchse 18 weist einen gegenüber hoher Temperatur beständigen, faserförmigen, elastischen, flexiblen ringförmigen Kern 20 auf. Ein solcher Kern kann die Form einer faserförmigen Decke oder Wolle aus Keramik haben, wobei im Handel eine Decke oder Wolle aus Zirkoniumdioxid, Glasgewebe oder -wolle erhältlich ist und dieser Kern ist mit einer hochtemperaturbeständigen Metallfolie bedeckt oder darin eingeschlossen. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform besteht die Metallfolie aus einem inneren ringförmigen Abschnitt 22 und einem äußeren ringförmigen Abschnitt 24,

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ζ. B. aus einer unter der Handelsbezeichnung L6O5 erhältlichen Kobaltlegierung, wobei die beiden Folienabschnitte an ihren Außen-

- kanten 2 5 unter Bildung der ringförmigen Buchse 18 durch Schweißen, Anwürgen oder in anderer geeigneter Weise verbunden sind.

Der bei hoher Temperatur einsetzbare Puffer nach der vorliegenden Erfindung ist in einer anderen Ausführungsform in Figur 3 gezeigt. Dabei ist ein Flammenhalter 10 wie in Figur 1 aus einer Siliziumcarbid-Keramik zwischen einem Paar von bei hoher Temperatur einsetzbaren Puffern gehalten, die allgemein mit 26 und 28 bezeichnet sind. Jeder Puffer ist von einem Metallstütz- oder Halteteil 30 bzw. 32 getragen, das z. B. aus einer hochtemperaturbeständigen Nickellegierung bestehen kann, wie sie z. B. als Hastelloy X erhältlich ist. Der erste Puffer 26 besteht aus einem flexiblen Kern 34 aus einem faserförmigen Keramikmaterial· in Form einer Decke, wie sie im Handel z. B. als Fiberfrax erhäitlich ist und ist mit einer Folie 36 aus einer Chrom-Nickel-Legierung bedeckt. Das erste Stutζteil bzw. der "äußere Halter 30 ist mehr im Detail in Figur 4 gezeigt und weist eine Fläche 38 zur Aufnahme eines Gegenstandes auf, wobei diese Fläche 38 sich allgemein an die Gestalt des Teiles des Gegenstandes anpaßt, den die Halteteile halten sollen. Das Teil 30 weist eine Einrichtung wie die Löcher 40 auf, um dieses Teil und die davon gehaltene Vorrichtung, wie eine Gasturbine, in der geeigneten Lage festzuhalten. Der erste Puffer 26 wird von dem Teil 30 an der Fläche 38 getragen, indem man die Folie 36 z. B. durch Schweißen, an dem Teil 30 befestigt und so den Kern 34 bedeckt, der dadurch zwischen Folie 36 und äußerem Halter 30 festgehalten ist.

Mit dem ersten hochtemperaturbeständigen Stütz- oder äußeren Halteteil 30 arbeitet ein zweiter hochtemperaturbeständiger innerer Halter 32 zusammen, der wie das Teil 30 eine solche Konfiguration aufweist, das sie allgemein der Gestalt des Teiles des Gegenstandes 10 angepaßt ist, den der zweite Halter 32 halten soll. Das Teil 32 schließt einen hochtemperaturbeständigen

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Puffer 20 ein, der in ähnlicher Weise konstruiert und mit dem Te.il_32. verbunden ist, wie das Teil 26 konstruiert und mit dem ersten Haiteteil 30 verbunden ist. Auf diese Weise wird eine Ausführungsfdrm~einer hochtemperaturbeständigen Halterung für einen eine geringe Schlagfestigkeit aufweisenden Gegenstand, z. ß. aus Keramik gebildet, der ein erstes und ein zweites Halteteil umfaßt, von denen jedes so ausgebildet ist, um einen Teil des Gegenstandes, z. B. eines Flammhalters 10, der auf den gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes gehalten werden soll, aufzunehmen. Jedes der Halteteile schließt einen hochtemperaturbeständigen Puffer ein, der einen flexiblen Kern der beschriebenen Art und eine hochtemperaturbeständige Metallfolie umfaßt, die den Kern bedeckt und ihn am Halteteil 30 oder 32, wie in Figur 3 gezeigt, befestigt.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in perspektivischer fragmentarischer Ansicht in Figur 5 gezeigt, in der eine Baueinheit aus einem keramischen Schaufeleinsatz und eines Auslösebalkens (trip baffel) 44 für einen Flammhalter einer Gasturbine gezeigt ist. Die Einsatzbaueinheit schließt einen keramischen Einsatz 46 und mehrere Haltestützen bzw. Halter ein, wie die zusammenarbeitenden Halter 46 und 50 sowie den Halter 52 und den damit zusammenarbeitenden benachbarten, nicht dargestellten Halter unterhalb des keramischen Einsatzes 46 in Figur 5. Diese Halter können an den Stützteilen der Baueinheit, wie der Wand 54 auf verschiedene Weise, wie durch Nieten 56, durch Anschweißen des Halters 52 an das Teil 58 am übergang 60 usw. befestigt werden. Jeder der Halter, der sowohl als Pufferteil wie als Halteteil wirkt, umfaßt einen Kern aus einem flexiblen, faserförmlgen, hochschmelzenden Material, der von einer hochtemperaturbeständigen Metallfolie bedeckt bzw. eingeschlossen ist, wobei die Folie ausreichend duktil ist, um um den Kern herum gelegt werden und unter Bildung einer Umhüllung verbunden werden zu können. Ein typisches Halteteil ist der Halter 50, der in perspektivischer Schnittansicht in Figur 6 gezeigt ist, und der einen hochtemperaturbeständigen Puffer zum Halten eines Gegenstandes geringer Duktilität, wie eines

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keramischen Einsatzes 46, bildet. Puffer und Stütze 50 sind aus einem flexiblen Kern 34 aus faserförmigem keramischen Material in Form einer Decke zusammengesetzt, wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben. Der Kern 34 ist in einer hochtemperaturbeständigen duktilen Metallfolie 36 aus einer Nickel-Chrom-Legierung eingeschlossen, die an ihren Außenkanten, wie bei 62 und 64 gezeigt, verschweißt ist, um den Kern 34 einzuschließen. Da der flexible Kern 34 aus einem hochtemperaturbeständigen faserförmigen keramischen Material besteht, das im Handel z. B. unter der Bezeichnung Fiberfrax erhältlich ist und weil die Folie aus einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Chrom-Legierung besteht, können der Puffer 50 und seine Elemente, der Kern und die Folie, einer Temperatur von mindestens etwa 5 4O°C und im allgemeinen einer Temperatur von mindestens etwa 1095 C widerstehen, ohne daß die Fähigkeit des Puffers oder der Stütze beeinträchtigt wird, seine Funktion als eine hochtemperaturbeständige Halterung auszuüben.

Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist im Zusammenhang mit dem Auslösestoßbalken 44 der Figur 5 gezeigt. Figur 7 ist eine Schnittansicht des Stoßbalkens (baffle) 44, der aus einem hochtemperaturbeständigen Keramikmaterial besteht, z. B. Siliziumnitrid. Der Auslösestoßbalken 44 schließt ein Paar allgemein gegenüberliegender Ausnehmungen 66 ein, in denen jeweils eine hochtemperaturbeständige Pufferbuchse 18 angeordnet ist, die im Zusammenhang mit Figur 2 mehr im Detail beschrieben ist. Jede Buchse 18 ist so bemessen, daß sie in die Ausnehmung 66 paßt, wobei ihr Innendurchmesser derart ist, daß er ein Halteteil oder einen Stift 68 aufnehmen kann. Jeder der Stifte 68 steht aus der jeweileigen Ausnehmung 66 durch die öffnungen 70 bzw. 72 in den nebeneinanderliegenden Metallwänden 74 bzw. 76 hervor. Die Stifte 68 können auf verschiedene Weise mit ihren entsprechenden Wänden verbunden werden, so z. B. durch Verschweißen mit Auflegscheiben 78, die ihrerseits mit den damit zusammenarbeitenden Wänden oder unter Verwendung einer leichter entfernbaren Klemmeinrichtung befestigt sind.

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Die vorliegende Erfindung schafft somit einen hochtemperaturbeständigen Puffer zum Halten eines Gegenstandes geriiiger-iDuk— tilität, z. B. aus keramischen Material. Ein solcher Puffer umfaßt einen flexiblen,faserförmigen, •hochtemperaturbeständigen Kern, der von einer hochtemperaturbeständigen, ausreichend duktilen Metallfolie bedeckt ist, die zu einer Vielfalt von Konfigurationen geformt werden kann in Abhängigkeit von der Form des zu haltenden Gegenstandes. Für den Kern kann eine Vielfalt von elastischen faserförmigen hochtemperaturbeständigen Mate· ri lien ausgewählt werden, ebenso wie eine Vielfalt von Metallfolien als Hülle des Puffers eingesetzt werden kann, in Abhängigkeit von der Temperatur und den Anwendungsbedingungen.

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Claims

Ansprüche

y Hochtemperaturbeständiger Puffer für einen Gegenstand geringer Duktilität, gekennzeichnet durch:

einen flexiblen Kern aus einem elastischen faserförmigen, hochtemperaturbeständigen Material, eine hochtemperaturbeständige Metallfolie, die den Kern bedeckt,

wobei die Folie eine ausreichende Duktilität aufweist, um um den Kern herum geformt werden zu können, und Kern und Folie weiter dadurch charakterisiert sind, daß sie einer Temperatur von mindestens etwa 540 C widerstehen können.
2. Puffer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er in Form einer ringförmigen Buchse vorliegt, bei der der Kern ringförmig ist und die Folie den Korn einschließt.

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3. Puffer nach Anspruch 2, d--a-d urch gekennzeichne t, daß die Folie aus einem inneren ringförmigen Folienabschnitt und einem äußeren ringförmigen Folienabschnitt besteht,

wobei der innere und der äußere ringförmige Folienabschnitt je eine erste und eine zweite Kante aufweisen, die jeweils mit der ersten und zweiten Kante des anderen ringförmigen Folienabschnittes zusammenarbeiten und die ersten und die zweiten Kanten miteinander verbunden sind, um den Kern zwischen dem inneren und dem äußeren ringförmigen Folienabschnitt einzuschließen.
4. Bei hoher Temperatur einsetzbarer Gegenstand, g e k e η η zeichnetdurch:

ein Paar nebeneinander liegender Stützteile im Abstand voneinander, wobei mindestens einer der Stützteile eine durchgehende Öffnung aufweist,

ein Teil mit einer geringen Duktilität, von dem sich ein Abschnitt zwischen die Stützteile erstreckt und dieser Abschnitt mindestens eine Ausnehmung hat, die mit der Öffnung in den Stützteilen ausgerichtet ist, eine hochtemperaturbeständige ringförmige Buchse, wie sie in Anspruch 2 definiert ist, in der Ausnehmung angeordnet ist und

ein Halteteil durch die Öffnung im Stützteil in die Ausnehmung in dem Teil mit geringer Duktilität und innerhalb der ringförmigen Buchse angeordnet ist.
5. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Teil geringer Duktilität aus Keramik besteht.
6. Gegenstand nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der ringförmigen Buchse aus einem faserförmigen Keramikmaterial besteht.

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7. Gegenstand nach Anspruch 4, dadurch gekenn-

z e i c h η e t , daß jedes des Paares von Stützpuffern

eine durchgehende Öffnung aufweist,

das Teil geringer" DüJctilität ein Paar allgemein gegenüberliegender Ausnehmungen aufweist, die jeweils mit der entsprechenden Öffnung in dem Stützteil ausgerichtet sind und mit dieser zusammenarbeiten, wobei in jeder Ausnehmung die hochtemperaturbeständige ringförmige Buchse angeordnet ist und

Oi.n Sicherungsteil durch jede der Öffnungen in den Stützteile in die Ausnehmung hinein und innerhalb der ringförmigen Buchse angeordnet ist.
8. Hochtemperaturbeständiger Halter für einen Gegenstand geringer Duktilität, gekennzeichnet durch

ein Metallteil mit einer den Gegenstand aufnehmenden Fläche, die allgemein an die Gestalt des aufzunehmenden Gegenstandes angepaßt ist.

einen hochtemperaturbeständigen Puffer mit einem flexiblen Kern aus einem elastischen, faserförmigen, hochtemperaturbeständigen Material und einer hochtemperaturbeständigen Folie, die den flexiblen Kern an der den Gegenstand aufnehmenden Fläche hält,

wobei die Folie eine ausreichende Duktilität aufweist, um um den Kern herum formbar und an dem Metallteil befestigbar zu sein, um den Kern zwischen der Folie und der den Gegenstand aufnehmenden Fläche einzuschließen, so daß der Kern und die Folie allgemein an die Gestalt der den Gegenstand aufnehmenden Fläche des Metallteiles angepaßt sind und

das Metallteil, der Kern und die Folie weiter dadurch charakterisiert sind, daß sie einer Temperatur von mindestens etwa 5 4O°C widerstehen können.
9. Hochtemperaturbeständige Halterung für einen Gegenstand geringer Duktilität mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt auf den gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes,

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gekennzeichnet durch:
einen ersten und einen zweiten hochtemperaturbeständigen Halter, wie in Anspruch 8 definiert,

wobei der erste Halter so geformt ist, daß er den ersten Abschnitt des Gegenstandes aufnehmen kann,
der zweite Halter so geformt ist, daß er den zweiten Abschnitt des Gegenstandes aufnehmen kann und
der erste und der zweite Halter so angeordnet sind, daß sie den Gegenstand an gegenüberliegenden Seiten halten.

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