DE3440877A1 - Zusammengesetzte welle - Google Patents

Zusammengesetzte welle

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DE3440877A1 DE19843440877 DE3440877A DE3440877A1 DE 3440877 A1 DE3440877 A1 DE 3440877A1 DE 19843440877 DE19843440877 DE 19843440877 DE 3440877 A DE3440877 A DE 3440877A DE 3440877 A1 DE3440877 A1 DE 3440877A1
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Description

ZUSAMMENGESETZTE WELLE 5
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Welle gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet zusammengesetzter Wellen, wie sie insbesondere bei Turbinen Anwendung finden.
In neuerer Zeit wurden keramische Materialien entwickelt, da diese eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen. In vielen Fällen haben hitzebeständige Keramikmaterialien ihre Hauptanwendung bei peripheren Teilen von Motoren gefunden. Es hat sich unter anderem in der Praxis als wünschenswert erwiesen, die bei Gasturbinen, Turboladern usw. verwendeten Turbinenschaufeln aus keramischen Materialien zu fertigen, da sich hierdurch die Betriebstemperatur erhöhen und das Gewicht der "Schaufeln verringern läßt, wodurch sich insgesamt eine Verbesserung in den Betriebs- bzw. Ansprechcharakteristiken derselben ergeben.
In der praktischen Anwendung sind die Temperaturen der zusammengesetzten Turbinenschaufeln so hoch, daß man dafür Sorge tragen sollte, die von ihnen übertragene Wärme zu isolieren, um die zugehörigen Lagerteile und die zur
Schmierung verwendeten Öle nicht vorzeitig verschleißen 3U
bzw. altern zu lassen.
Im folgenden wird auf Fig. 1 eingegangen. Sie zeigt den Grundaufbau einer typischen Gasturbine oder eines Turboladers. Es ist bekannt, daß dieser ein allgemein mit dem 35
Bezugszeichen 1 angedeutetes Gehäuse enthält, das aus
3U0877
drei Gehäuseteilen zusammengesetzt ist, wobei das erste Gehäuseteil ein Turbinengehäuse 2 ist, welches einen Einlaß und einen Auslaß für Auspuffgase enthält, wobei das zweite Gehäuse ein Kompressorgehäuse 4 ist, welches eine Luftansaug- und eine Luftabgabeöffnung enthält und wobei das dritte Gehäuse ein Lagergehäuse 3 ist, das zwischen dem Turbinengehäuse 2 und dem Kompressorgehäuse 4 angebracht ist. Ein Turbinenrotor 5 erstreckt sich axial
IQ durch die Mittelbereiche der drei Gehäuse. Heiße Auspuffgase, die von einem Motor usw. austreten, werden in das Turbinengehäuse 2 durch einen Einlaß 21 eingeführt, wobei sie eine Turbinenscheibe 51, die üblicherweise aus einem keramischen Material gefertigt ist, mit einer hohen Drehzahl antreiben. Die Auspuffgase werden anschließend aus dem Turbinengehäuse durch eine mittlere Gasauslaßöffnung 23 abgegeben. Ein mit der Turbinenscheibe 51 einstückig bzw. massiv ausgebildetes Wellenteil 52 aus keramischem Material und ein mit diesem verbundenes Metallwellenteil 53 sind von dem Lagergehäuse 3 axial ausgerichtet und mit diesem drehbar gelagert, so daß die Turbinenscheibe 51 geschmiert durch ein von einer öleinlaßöffnung 31 zugeführtem öl umläuft, und mit einer hohen Drehzahl eine Kompressorscheibe 54 antreibt, die in einer Kompressorscheibenkammer 41 aufgenommen ist, und fest über das Metallwellenteil 53 angepaßt ist. Durch eine Lufteinlaßöffnung 42 wird Luft angesaugt, welche in der Kompressorscheibe 54 komprimiert und anschließend einem Verbrennungsmotor usw. durch das Kompressorgehäuse 4 zugeführt wird.
Im Falle der gegenwärtig benutzten Metallturbinenschaufeln wird zum Zwecke einer Wärmeisolierung ein Hohlraum 64 sowohl an dem Ende 62 des aus einer hitzebeständigen Legierung gebildeten Turbinenrotors als auch an dem Ende eines damit verbundenen Metallwellenteils 63 angebracht,
wobei die Berührungsoberflächen der Wellenteile zusammengeschweißt sind, wie sich dies auf Fig.2(a) der dort dargestellten Verbindungsstruktur ergibt. Da das Metallwellen-
r. teil 63 praktisch von einem öl gekühlt wird, wird auf ο
diese Weise Hit2e primär durch den Mittelbereich der Welle übertragen, wobei der Hohlraum 64 aufgrund seiner Anordnung in der Mitte in der erwünschten Weise seine Isolationswirkung ausübt.
Im Falle von Keramikturbinenschaufeln, die einstückig mit dem zugehörigen Rotor und dem zugehörigen Wellenteil aus Keramik ausgebildet sind, ist es jedoch schwierig die vorstehend· ierwähnte, bei Metallturbinenschaufeln verwendete
, t Wärmeisolationsstruktur anzuwenden, da der thermische 15
Ausdehnungskoeffizient von Keramik niedriger ist, als derjenige von Metallen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zusammengesetzte Welle der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der eine sichere, die thermischen Belastungen aushaltende Verbindung zwischen dem Keramikwellenteil und dem Metallwellenteil hergestellt ist, bei der sich die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien nicht nachteilig aus-25
wirken. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruches gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Mit der Erfindung wird eine neuartige Verbindungsstruktur
für eine Turbinenwelle geschaffen, bei der die Verbindung zwischen einem Keramikwellenteil und einem Metallwellenteil auch bei einer höheren Betriebstemperatur der Gasturbine sichergestellt ist.
Mit der Erfindung wird des weiteren eine Verbindungsstruktur einer Turbinenwelle geschaffen, die ein Keramik-
,_ wellenteil und ein Metallwellenteil enthält, welche ο
stumpf mit ihren Enden miteinander verbunden sind, bei der ein Hohlraum zur Wärmeisolation lediglich im mittleren Bereich des Keramikwellenteils vorgesehen ist.
Aufgrund dieser Ausgestaltung läßt sich die Eigen- bzw. Restspannung an der Verbindungsstelle, die auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien zurückzuführen sind, derart verringern, daß eine bessere Verbindung sichergestellt ist, sowie daß die von
dem heißen Turbinenrotor ausgehende Hitze durch das Vor-15
handensein des Mittenisolationshohlraums wirksam isoliert wird.
Es wird somit eine verbesserte Verbindungsstruktur zur
Wärmeisolation durch die Anbringung eines Hohlraumes al-20
lein im Bereich des keramischen Rotor-Wellenteiles geschaffen.
Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Gasturbine.
Fig. 2(a) zeigt einen Längsteilschnitt der Verbindungs-30
struktur von den Enden eines Turbinenrotor-Metallwellenteiles und eines Metallwellenteiles .
Fig. 2(b) zeigt einen Längsteilschnitt der Verbindungs-35
struktur zwischen einem Turbinenrotor-Keramikwellenteil und einem Metallwellenteil für Vergleichszwecke.
-δι
Fig. 2 (c) zeigt die Deformation an dem Ende des Metallwellenteils von Fig. 2(b) an einem Punkt A.
r Fig. 2 (d) zeigt ein Vektordiagramm an dem Punkt A.
Fig. 2 (e) zeigt einen Teillängsschnitt der Verbindungsstruktur eines Turbinenrotor-Wellenteiles, und eines Metallwellenteiles gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Fig.
3(a) und
3(b) zeigen Längsschnitte der Verbindungsstruktur von Vergleichsversuchen unterzogenen Proben.
Fig. 3 (c) zeigt eine entsprechende Ansicht von einer Ausführungsform der Erfindung.
Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
__ Das Keramikwellenteil ist vorzugsweise massiv bzw. ein-25
stückig mit einem Turbinenrotor ausgebildet, der eine Turbinennabe und Turbinenschaufeln enthält, die beide in Form eines massiven Körpers ausgebildet sind.
Dies wird im folgenden unter Bezugnahme auf ein Vergleichsbeispiel des Verbindungsbereiches von dem Ende eines Keramikturbinenrotor-Wellenteiles mit einem Metallwellenteil erläutert, wie dies in Fig. 2(b) dargestellt ist.
Man erkennt aus dieser Figur, daß das Ende 66 eines Keramikturbinenrotor-Wellenteiles mit einem Metallwellen-
teil 63 unter Verwendung einer dazwischen befindlichen Pufferschicht 67 verbunden sein kann, wobei die Pufferschicht 67 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist,
r- der zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des kerao
mischen Wellenteiles und des Metallwellenteiles liegt, wobei des weiteren ein Hohlraum 64 zum Zwecke der Wärmeisolation vorgesehen ist, der ähnlich ausgebildet ist, wie der mit dem gleichen Bezugszeichen in Fig. 2(a) ver-
-0 sehene Hohlraum, und wobei, was nicht dargestellt ist, in der Oberfläche des Metallwellenteiles 63 eine Nut zum Zwecke der Wärmeisolation vorgesehen ist. Es wurde zunächst angenommen, daß eine derartige Anordnung eine gute Verbindungsstruktur darstellen würde, bei der sich die Ein-
p. flüße des Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikwellenteil und dem Metallwellenteil ausgleichen lassen. Es zeigte sich jedoch, daß aus den • im folgenden wiedergegebenen Gründen auf dem beschriebenen Wege eine gute Verbindungsstruktur nicht erhalten n werden konnte.
Es soll nun ein Punkt A an der Endstirnfläche des mit dem Metall verbundenen Keramikstücks betrachtet werden, wobei der Punkt A eine Spannung σγ in der senkrecht zur Achse
-ρ- verlaufenden Richtung empfängt, aufgrund der Kontraktion beim Abkühlen des Metallwellenteiles. Des weiteren wirkt auf den Punkt A eine axiale Spannung σ* aufgrund der Deformation der Verbindungsstelle zwischen dem Keramikwellenteil und dem Metallwellenteil, wie dies in Fig. 2(b)
on dargestellt ist. Nachdem das Metallwellenteil 63 von
Fig. 2(b) bei einer hohen Temperatur mit dem Ende 66 des keramischen Rotorwellenteiles verbunden worden ist, zieht es sich aufgrund der Abkühlung zusammen. Aufgrund einer kleinen Kontraktion des keramischen Materiales wird das O1_ Metallwellenteil, das an seinem freien Ende die Form einnehmen könnte, wie sie in Fig. 2(c) in durchgezogenen Linien dargestellt ist, durch das Keramikteil gezogen und
es zieht sich benachbart zu der Verbindungsstelle der beiden zusammen, was zu einer Form führt/ wie sie in Fig. 2(c) mit strichlierten Linien wiedergegeben ist. Aus·
diesem Grunde wirkt an dem Punkt A1 eine Kraft, die einen 5
Zug auf das keramische Material ausübt, während am Punkt B1 eine Kraft entsteht, die das keramische Material zusammenpreßt, so daß insgesamt keine befriedigende Verbindung erzielt wird.
Wenn, wie oben erwähnt, die Differenz der Wärmeausdehnung durch die Deformation des Metallwellenteiles kompensiert oder absorbiert ist, erzeugt die resultierende innere Rest- oder Eigenspannung, daß eine sekundäre Kraft auf die Keramik wirkt. Es versteht sich daher, daß, je geringer die Deformation des Metallwellenteiles ist, die Eigenspannung bzw. Restspannung (speziell die axiale Spannung <T , die auf die Keramik wirkt) umso kleiner ist, was zu einer Verbesserung der Verbindungsstruktur führt.
Unter Berücksichtigung des vorstehenden wird durch die vorliegende Erfindung eine verbesserte Verbindungsstruktur geschaffen, die eine Wärmeisolation bewirken kann, indem ein Mittenhohlraum zur Wärmeisolation in dem Keramikrotorwellenteil am Verbindungsende desselben geschaffen wird.
Bei dem in Fig. 2(e) dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht zwar eine gewisse Ähnlichkeit mit der in Fig. 2(b) gezeigten Anordnung insofern, als ein Ende 66 eines Keramikturbinenrotor-Wellenteiles mit einem Metallwellenteil 63 mittels einer zwischen diesen angeordneten Pufferschicht 67 verbunden ist. Hier ist jedoch ein Hohlraum 64 zur Wärmeisolation lediglich im Endbereich 66 des Keramikturbinenrotor-Wellenteiles vorgesehen. Aufgrund dieser Anordnung wird die von dem Metallwellen-
teil 63 übertragene Hitze durch Luft in dem Hohlraum 64 isoliert, und es ist kein Platz für das Auftreten einer ungleichmäßigen axialen Kompressions- und Zugkraft, die von dem Metallwellenteil ausgeübt wird, wie man im Fall der Anordnung von Fig. 2(b) feststellt. Auf diese Weise wird die Eigen- bzw. Restspannung in dem Keramikmaterial herabgesetzt. Praktischerweise ist die Verbindung in die Nähe der Turbinenschaufeln gelegt, so daß die Teile, die in eine Nachbehandlung notwendig machen, wie beispielsweise die Anbringung von Öldichtungsnuten, in dem Teil des Metallwellenteiles angebracht werden können. Die Bearbeitung wird daher im Vergleich zur Bearbeitung von Keramik einfacher und die Betriebszeit während der ein Schneiden werkzeug verwendet werden kann, wird verlängert, so daß insgesamt die Herstellungskosten verringert werden können. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erweist sich auch insoweit als vorteilhaft, als die Anbringung des Hohlraums zur Wärmeisolierung im Inneren des Keramikwellenteiles, das auf einer höheren Temperatur gehalten wird, einen
größeren Beitrag zu der Isolationswirkung liefert.
Die Keramikmaterialien, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Keramikmaterialien „p. mit hoher Festigkeit, niederem Ausdehnungsvermögen und guter Oxidationsbeständigkeit wie z.B.Siliziumnitrit, Siliziumkarbid, Sialon usw.
Das bei der vorliegenden Erfindung für das Metallwellen- __ teil verwendete Material, das zusammen mit dem Keramik-
wellenteil in Einsatz kommt, enthält Legierungsstähle Wie SCM435, SCM440, SNCM, Mertensit-ausgehärtete Stähle; korrosionsfeste Stähle wie z.B. JIS SUS 630, Spezialstähle usw..
Zu den Materialien für die Pufferschicht, die vorzugsweise bei der vorliegenden Erfindung zurAnwendung kommen kön-
nen, gehören:
(i) Materialien oder Metalle mit niedrigem Young1sehen Modul wie z.B. Cu, Ag, Ni, Kovar, Fe-42% Ni-Legierungen usw..
(ii) Materialien mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten wie z.B. W, Mo, W Legierungen, Nb oder · Keramikmaterialien aus Si3N4 , SiC usw.
(iii) eine Kombination der Materialien aus (i) und (ii).
Das bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendete Hartlot enthält Ag-Cu Hartlot, Ag-Lot, Ni-Typ Lot, Pd-Typ Lot usw.
Hilfsmaßnahmen wie eine Metallisierung des Endes des Keramikwellenteiles tragen dazu bei, daß man eine große Festigkeit in der Verbindung erhält. Die Metallisierung kann entweder durch Dampfbeschichtungstechniken (Vielfachschichten von Ti-Cr-Cu, Ti-Ni usw.) oder durch aktivierte Metalltechniken aufgebracht werden. Beispiele für die zuletztgenannte Technik finden sich in der US-PS 4,160,854, dem europäischen Patent EP 0038584A oder der japanischen Kokai-Veröffentlichung Nr. 56/163093.
Die bevorzugte Gestaltung des Mittenhohlraums in dem Ende des Keramikwellenteiles kann folgende Dimensionen aufweisen. Insbesondere der maxmiale Durchmesser des Hohl-QQ raumes sollte unter Zugrundelegung der Festigkeit der Verbindung bestimmt werden, die sich durch folgende Formel ergibt:
16 d9
O5 r = T (D
^ ( cL4- d..4)
in der
d„
die Scher- bzw. Schubfestigkeit in Kg/cm2;
das Torsionsmoment in kg · cm ;
der Hohlraumdurchmesser in cm; und
der Durchmesser des Wellenteiles in cm ist,
Typische Ergebnisse, die a-uf der Basis der Formel (1) für einen Wert von =156 kg/cm2 berechnet sind, ergeben sich aus der folgenden Tabelle 1.
Tabelle 1
d1 d2 (cm) T (kg · cm)
I
0 .9 1 .5 900
1 .2 1 .5 610
Aus diesem Grunde sollte der Durchmesser des Hohlraums nicht größer sein als 80 % des Durchmessers des Wellenteiles.
Andererseits sollte der Durchmesser des Hohlraumes im Hinblick auf das Hitzeisolationsvermögen begrenzt sein. Da die äußere Oberfläche der Welle normalerweise von einem Kühlmittel ( wie z.B. Öl) gekühlt wird, kann der Mittenhohlraum die von der Wärmequelle (Turbinenrotor) kommende Hitze wirksam isolieren. Im Hinblick auf das vorstehende sollte der Durchmesser des Hohlraums nicht weniger als 30 % des Durchmessers des Keramikwellenteiles betragen.
Die Länge (Tiefe) des Hohlraums sollte zumindest 20 % des Durchmessers des Wellenteiles betragen im Hinblick auf den Wärmeisolationseffekt.
Der Querschnitt des Hohlraums ist vorzugsweise rund. Dies schließt jedoch nicht aus, daß auch andere symmetrische Gestaltung, wie beispielsweise ein Polygon zur Anwendung kommen. Der Boden des Hohlraums kann des weiteren konisch sein, gekrümmt verlaufen oder eine ähnliche Kontur aufweisen.
Um einen guten Vergleich zwischen den Verbindungsstruktu-10
ren der vorliegenden Erfindung und denen nach dem Stand
der Technik durchführen zu können, wurden die in den Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) dargestellten Prüflinge erstellt. In Fig. 3(a) ist ein Keramikwellenteil C und ein Metallwellenteil M stumpf mit seinen Enden an der mit 12 angedeu-15
teten Stelle zusammengeschweißt, wobei ein Hohlraum 11 zur Wärmeisolation in beiden Wellenteilen vorgesehen ist. Bei dem Prüfling gemäß Fig. 3(b) sind ein Keramikwellenteil C und ein Metallwellenteil M an der mit 12 gekennzeichneten Stelle miteinander verbunden, wobei ein Hohl-
raum 11 zur Wärmeisolation im Inneren des Endes des Wellenteils M angebracht ist. Sowohl die Fig. 3(a) als auch die Fig. 3(b) zeigen Vergleichsbeispiele. In Fig. 3(c) sind ein Keramikwellenteil C und ein Metallwellenteil M miteinander an einer Stelle 12 verbunden, und ein Hohl-
raum 11 zur Wärmeisolation ist in dem Ende des Keramikwellenteiles C angebracht.
Bei den untersuchten Prüflingen hatten sowohl das Metallwellenteil als auch das Keramikwellenteil einen Außen-
durchmesser von 15 mm, wobei der Hohlraum für die Wärmeisolation einen Innendurchmesser von 9 mm und eine Länge von 8 mm aufwiesen. Das Metallwellenteil bestand aus Stahl und Siliziumnitrit und Siliziumkarbid wurde als Keramikwellenteil verwendet. Auf der Oberfläche der Ke-
ramik wurde eine 100 nm dicke Ti, eine 100 nm Cr und eine 1000 nm dicke Cu Schicht aufmetallisiert mittels physika-
_ 15 _ 3U0877
lischer Dampfbeschichtungstechniken. Als Zwischenpufferschicht wurde eine 0,5 nun dicke Kupferplatte verwendet. Das Hartlöten erfolgte in einem Wasserstoffofen bei 9000C
unter Verwendung eines eutektischen Ag-Cu Lotmetalles 5
als Hartlötmaterial.
Je zehn Proben gemäß den Beispielen von Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) wurden hergestellt zur Bestimmung des Torsionsmomentes desselben, das bei Zimmertemperatur nach der Zusammenfügung der Wellenteile gemessen wurde. Das Hartlöten erfolgte unter Verwendung einer Aufspannvorrichtung mit ausreichend großer Masse, so daß die Kühlgeschwindigkeit der Probenstücke nicht beeinflußt wurde.
Als Ergebnis zeigte sich, daß bei den Probenstücken gemäß Fig. 3(a) und 3(b) die Keramikwellenteile alle bei einem Torsionsmoment von unter 500 kg · m brachen, während bei den erfindungsgemäßen Proben die Keramikwellenteile bei einem Torsionsmoment von bis zu 800 kg · m
oder darüber nicht brachen und sich somit als hervorragend erwiesen.
■Ho-
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Claims (9)

Patentansprüche;
1. Zusammengesetzte Welle enthaltend ein Keramikwellenteil und ein mit dessen Ende stumpf zusammengefügtes Metallwellenteil, wobei das Keramikwellenteil auf der Seite eines mit einer höheren Temperatur als das Metallwellenteil betriebenen Rotors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsstruktur, der zusammengesetzten Welle einen Hohlraum (64) zur Wärmeisolation enthält, der lediglich in den zentralen Bereich des anstoßenden Endes des Ke-
ramikwellenteils (66) vorgesehen ist.
2. Zusammengesetzte Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikwellenteil massiv bzw. ein-
stückig mit dem Rotor ausgebildet ist.
3. Zusammengesetzte Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Turbinenwelle und daß der Rotor ein Turbinenrotor ist. (Fig. 1)
4. Zusammengesetzte Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (64) einen Durchmesser aufweist, der nicht größer ist als 80 % des Durchmessers des keramischen Wellenteils (66).
5. Zusammengesetzte Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (64) einen Durchmesser aufweist, der zumindest 30 % des Durchmessers des keramischen Wellenteils (66) beträgt.
6. Zusammengesetzte Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (64) eine Länge aufweist die zumindest 20 % des Durchmessers des keramischen Wellenteils (66) beträgt.
7. Zusammengesetzte Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Hartlötstelle enthält, welche das keramische Wellenteil (66) und das Metallwellenteil (63) miteinander ver-
bindet.
8. Zusammengesetzte Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Schicht (67) eines Puffermaterials enthält, die zwischen den Enden der beiden Wellenteile (63, 66) angeordnet ist.
9. Zusammengesetzte Welle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine metallisierte Schicht auf der Oberfläche des Endes des keramischen Wellenteiles (66) enthält.
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