DE10010923A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung einer keramischen Komponente in einem metallischen Support - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Fixierung einer keramischen Komponente in einem metallischen SupportInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fixierung einer keramischen Komponente (4) in einem metallischen Support (2). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt um die keramische Komponente (4) herum eine Hülse (5), bestehend aus Grauguss mit Lamellengraphit, gelegt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt die keramische Komponente (4) einschließlich der Hülse (5) bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 750 DEG C so lange geglüht werden, bis die Hülse (5) eine Volumenzunahme infolge innerer Oxidation aufweist, durch welche die keramische Komponente (4) bleibend fixiert wird und dass schließlich nach erfolgter Abkühlung die keramische Komponente (4) mit der Hülse (5) in den metallischen Support (2) eingebracht und im Support (2) gesichert werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fixierung einer
keramischen Komponente in einem metallischen Support. Eine derartige
keramische Komponente ist beispielsweise die keramische Isolationshülse für den
Hochspannungs-Zündleiter, welcher in der Zündfackel einer Gasturbine
angeordnet ist.
Es ist bekannter Stand der Technik, Isolationshülsen aus Al2O3 mit
Keramikklebern in den metallischen Support der Zündfackel einer Gasturbine
einzukleben. Die Isolationshülsen isolieren den Hochspannungs-Zündleiter vom
metallischen Support.
Damit eine gute Verbindung zwischen dem metallischen Support und den
Isolationshülsen gewährleistet wird, muss eine Warmaushärtung des Klebers
erfolgen.
Diese bekannte Art der Befestigung von keramischen Isolationshülsen in einem
metallischen Support hat eine Reihe von Nachteilen. Einerseits ist der
Keramikkleber sehr schlecht in den Zwischenraum zwischen der Isolationshülse
und dem metallischen Support einzubringen. Zum Teil muss er mit einer Spritze in
den Zwischenraum gespritzt werden, was schlecht zu handhaben ist. Der
verwendete Keramikkleber verlangt einen sehr engen Spalt. Dies wirkt sich
ungünstig auf die Montage aus. Andererseits schrumpft der Kleber beim
Aushärten sehr stark (um ca. 20 bis 30%), was zu einer Reduzierung des
Klebstoffes führt, so dass die Hülse oftmals nur schlecht im metallischen Support
eingeklebt ist und die Haftung ungenügend ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten
Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Fixierung einer keramischen Komponente in einem metallischen Support zu
entwickeln, welche einfach zu handhaben ist, stets eine gute Haftung zwischen
der keramischen Komponente und dem metallischen Support gewährleistet und
billig sowie überall verfügbar ist.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Fixierung einer keramischen
Komponente in einem metallischen Support dadurch erreicht, dass in einem
ersten Verfahrensschritt um die keramische Komponente herum eine Hülse,
bestehend aus Grauguss mit Lamellengraphit, gelegt wird, in einem zweiten
Verfahrensschritt die keramische Komponente einschliesslich der Hülse bei
Temperaturen im Bereich von 500 bis 750°C so lange geglüht werden, bis die
Hülse eine Volumenzunahme infolge innerer Oxidation aufweist, durch welche die
keramische Komponente bleibend eingeschrumpft wird und dass nach erfolgter
Abkühlung die keramische Komponente mit der Hülse in den metallischen Support
eingebracht und im Support gesichert werden.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Vorrichtung zur Fixierung einer keramischen
Komponente in einem metallischen Support dadurch erreicht, dass die
Vorrichtung aus einer aus Grauguss mit Lamellengraphit hergestellten Hülse
besteht, welche an jenen Stellen der keramischen Komponente angeordnet ist, an
denen die keramische Komponente im metallischen Support fixiert sein soll, wobei
die keramische Komponente in die Hülse aufgrund innerer Oxidation des
Graugusses mit Lamellengraphit eingeschrumpft ist. Die keramische Komponente
ist beispielsweise eine Isolationshülse für einen Hochspannungs-Zündleiter,
welcher in der Zündfackel einer Gasturbine angeordnet ist.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine dauerhafte Verbindung durch
eine einfache Glühoperation erzeugt werden kann ohne dass ein spezielles
Montage know how notwendig ist. Da die Volumenzunahme des Graugusses nur
dort auftritt, wo während des Glühvorganges Sauerstoff hinzutritt, bildet sich eine
gleichmässige Flächenpressung zwischen der keramischen Komponente und der
Hülse aus Grauguss. Es tritt vorteilhaft ein Selbstheilungseffekt auf, weil bei
Temperaturen oberhalb von 500°C die Oxidation wieder dort einsetzt, wo sich die
Verbindung gelockert hat. Sie stoppt dort, wo kein Sauerstoff mehr hinkommt. Auf
diese Weise wird eine sehr gute Haftung erzielt. Ein Vorteil der Erfindung besteht
schliesslich auch darin, dass die Verbindung bei hoher Temperatur (ca. 700 bis
800°C) zerstörungsfrei durch Auspressen wieder gelöst werden kann.
Es ist zweckmässig, wenn das Glühen der keramischen Komponente
einschliesslich der Hülse aus Grauguss mit Lamellengraphit bei einer Temperatur
von ca. 700°C durchgeführt wird. Bei dieser Temperatur findet die innere
Oxidation in einer vergleichsweise geringen Zeit statt, was sich günstig auf die
Herstellungskosten auswirkt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Hülse aus Grauguss mit Lamellengraphit im
metallischen Support durch Körnerschläge am Support gesichert wird. Dies ist ein
einfaches und schnelles Verfahren.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn als Material für die Hülse GG 20-25 verwendet
wird, weil dieses Material überall verfügbar und vergleichsweise billig ist.
Ausserdem sind die Graphitlamellen nach aussen hin offen, so dass auf diese
Weise Sauerstoff in den Werkstoff gebracht wird, welcher die innere Oxidation
und die damit verbundene Volumenzunahme überhaupt erst ermöglicht.
Schliesslich ist es zweckmässig, wenn als Material für die keramische
Komponente Glaskeramik mit einem ähnlichen E-Modul und
Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Hülse aus Grauguss mit
Lamellengraphit verwendet wird, weil dadurch keine zusätzlichen
Längsspannungen in der Keramik bei Temperaturänderungen erzeugt werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt der Zündfackel einer Gasturbine;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Glaskeramik- und Graugusshülse nach
der Glühbehandlung;
Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Abhängigkeit der Anpresskraft infolge
innerer Oxidation von GG20 von der Glühdauer und Glühtemperatur
dargestellt ist.
Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt und
bezeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und der Fig.
1 bis 3 näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein Teillängsschnitt der Zündfackel 1 einer Gasturbine dargestellt. In
einem metallischen Support 2, beispielsweise aus St S 18/8, ist ein
Hochspannungs-Zündleiter 3 angeordnet. Dieser Hochspannungs-Zündleiter 3 ist
mittels mehrerer keramischer Komponenten 4, die in axialer Richtung des
Hochspannungs-Zündleiters 3 voneinander beabstandet um den Umfang des
Hochspannungs-Zündleiters 3 angeordnet sind, vom metallischen Support 2
isoliert. In Fig. 1 sind beispielhaft zwei keramische Komponenten 4 abgebildet. Die
Komponenten 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel Isolationshülsen aus
Glaskeramik. Glaskeramik ist durch Drehen gut bearbeitbar und weist einen
ähnlichen E-Modul und Wärmeausdehnungskoeffizienten auf wie Grauguss. Um
die Komponenten 4 sind an den Stellen, an denen sie im metallischen Support 2
fixiert sein sollen, Hülsen 5 aus Grauguss mit Lamellengraphit, hier GG 20,
angeordnet. Die keramischen Komponenten 4 sind in den Hülsen 5 aufgrund
innerer Oxidation des Graugusses mit Lamellengraphit verankert, d. h. die
Keramik ist auf Druck befestigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem
ersten Verfahrensschritt um die keramische Komponente 4 herum die Hülse 5,
bestehend aus Grauguss mit Lamellengraphit, vorzugsweise GG 20-25 (DIN
1691) gelegt wird, in einem zweiten Verfahrensschritt die keramische Komponente
4 einschliesslich der Hülse 5, d. h. als ein Teil, bei Temperaturen im Bereich von
500 bis 750°C so lange geglüht werden, bis die Hülse 5 eine Volumenzunahme
infolge innerer Oxidation aufweist, durch welche die keramische Komponente 4
bleibend fixiert wird und dass schliesslich nach erfolgter Abkühlung die
keramische Komponente 4 mit der Hülse 5 in den metallischen Support 2
eingebracht und in einem letzten Verfahrensschritt im Support 2 gesichert werden.
Diese Sicherung erfolgt vorzugsweise einfach mittels Körnerschläge am Support
2. Die Ansätze für die Sicherungskörner (Sackbohrungen zum Ansetzen des
Körners beim Sichern gegen Herausrutschen) sind in Fig. 1 mit 6 bezeichnet.
Als bevorzugte Behandlungsparameter sind für die gemeinsame Glühung der
keramischen Komponente 4 und der Graugusshülse 5 ca. 700 bis 750°C und 2
Tage (24 Stunden) anzugeben. Bei diesen Behandlungstemperaturen findet die
innere Oxidation in einer vergleichsweise geringen Zeit statt, was sich günstig auf
die Herstellungskosten auswirkt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Glaskeramik- und Graugusshülse nach
der Glühbehandlung. Die keramische Komponente 4 ist mit der Hülse 5 aus GG
20 fest verbunden und somit auf Druck durch Reibungskräfte befestigt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine dauerhafte Verbindung von
keramischer Komponente 4 und Hülse 5 durch eine einfache Glühoperation
erzeugt werden kann ohne dass ein spezielles Montage know how notwendig ist.
Da die Volumenzunahme des Graugusses mit Lamellengraphit nur dort auftritt, wo
während des Glühvorganges Sauerstoff hinzutritt, bildet sich eine gleichmässige
Flächenpressung zwischen der keramischen Komponente 4 und der Hülse 5 aus
Grauguss. Es tritt vorteilhaft ein Selbstheilungseffekt auf, weil bei Temperaturen
oberhalb von 500°C die Oxidation wieder dort einsetzt, wo sich die Verbindung
gelockert hat. Sie stoppt dort, wo kein Sauerstoff mehr hinkommt. Auf diese Weise
wird eine sehr gute Haftung erzielt. Ein Vorteil der Erfindung besteht schliesslich
auch darin, dass die Verbindung bei hoher Temperatur zerstörungsfrei durch
Auspressen wieder gelöst werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht
darin, dass als Material für die Hülse GG 20 bis GG 25 verwendet werden kann.
Dieser Werkstoff ist preiswert und steht überall problemlos zur Verfügung.
Ausserdem sind die Graphitlamellen nach aussen hin offen, so dass auf diese
Weise Sauerstoff in den Werkstoff gebracht wird, welcher die innere Oxidation
und die damit verbundene Volumenzunahme überhaupt erst ermöglicht. Bei
Verwendung von Gusseisen mit Kugelgraphit anstelle von Gusseisen mit
Lamellengraphit käme die Erfindung nicht zum Tragen, weil keine
Sauerstoffaufnahme über ein grösseres Volumen und damit keine innere
Oxidation erfolgen kann.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Kraft, welche notwendig ist,
um die keramische Komponente 4 nach der Einoxidation - in Abhängigkeit von
Glühdauer und Glühtemperatur - aus der Hülse 5 aus GG 20 herauszupressen.
Die Anpresskraft nimmt mit steigender Glühdauer (10-60 Stunden) und steigender
Glühtemperatur (550-750°C) zu.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt.
1
Zündfackel
2
Metallischer Support
3
Hochspannungs-Zündleiter
4
Keramische Komponente, z. B. Isolationshülse
5
Hülse aus Grauguss mit Lamellengraphit
6
Ansatz für Sicherungskörner
t Glühdauer
T Glühtemperatur
F Anpresskraft
t Glühdauer
T Glühtemperatur
F Anpresskraft
Claims (7)
1. Verfahren zur Fixierung einer keramischen Komponente (4) in einem
metallischen Support (2), dadurch gekennzeichnet, dass
- a) in einem ersten Verfahrensschritt um die keramische Komponente (4) herum eine Hülse (5), bestehend aus Grauguss mit Lamellengraphit, gelegt wird,
- b) in einem zweiten Verfahrensschritt die keramische Komponente (4) einschliesslich der Hülse (5) bei Temperaturen im Bereich von 500 bis 750°C so lange geglüht werden, bis die Hülse (5) eine Volumenzunahme infolge innerer Oxidation aufweist, durch welche die keramische Komponente (4) bleibend fixiert wird und
- c) nach erfolgter Abkühlung die keramische Komponente (4) mit der Hülse (5) in den metallischen Support (2) eingebracht und im Support (2) gesichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühen der
keramischen Komponente (4) einschliesslich der Hülse (5) aus Grauguss
mit Lamellengraphit bei einer Temperatur von ca. 700 bis 750°C
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5)
aus Grauguss mit Lamellengraphit im metallischen Support (2) durch
Körnerschläge am Support (2) gesichert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für
die Hülse (5) GG 20-25 verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für
die keramische Komponente (4) Glaskeramik mit einem ähnlichen E-Modul
und Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Hülse (5) aus Grauguss mit
Lamellengraphit verwendet wird.
6. Vorrichtung zur Fixierung einer keramischen Komponente (4) in einem
metallischen Support (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung
aus einer aus Grauguss mit Lamellengraphit hergestellten Hülse (5)
besteht, welche an jenen Stellen der keramischen Komponente (4)
angeordnet ist, an denen die keramische Komponente (4) im metallischen
Support (4) fixiert sein soll, wobei die keramische Komponente (4) mit der
Hülse (5) aufgrund innerer Oxidation des Graugusses mit Lamellengraphit
fest verankert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
keramische Komponente (4) eine Isolationshülse für einen
Hochspannungs-Zündleiter (3) ist.
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