Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4214
Möllenhoff, Marc
Grundlegende Untersuchungen zur Korrosion von Al2O3 durch Metallhalogenidschmelzen und zur Thermochemie korrespondieender Korrosionsphasen
154 S., 2006
Die Verwendung von keramischen Brennergefäßen aus polykristallinem
Aluminiumoxid (PCA) für Metallhalogenid-Entladungslampen bietet gegenüber
solchen aus Quarzglas den Vorteil, dass sie bei höheren Temperaturen zum Einsatz
kommen können, was zu einer Steigerung der Effizienz führt. Die Brennergefäße
enthalten eine Mischung verschiedener Metallhalogenide, wie NaI, DyI3, CeI3, um gezielt die spektralen Eigenschaften der Lampen zu beeinflussen. Unter den herrschenden Betriebsbedingungen bilden die Halogenide neben einer Gasphase auch
deren korrespondierende Schmelze. Insbesondere die Schmelze reagiert mit dem
Wandmaterial PCA unter Bildung von Seltenerd-Aluminaten. Außerdem wird
Alumiumoxid entlang des thermischen Gradienten, der der Brennerwand anliegt
transportiert, was über einen Wanddickenverlust bis hin zur Leckbildung führen kann.
Die Korrosion des Brennergefässmaterials durch die Metallhalogenidschmelze ist eine
der häufigsten Ursachen für das Versagen der Lampen.
Das Ziel der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen war es, den
besonderen Einfluss der Schmelzphase bei der Korrosion und des chemischen
Transportes von Al2O3 aufzuklären. Hierzu wurden Löslichkeitsdaten für Al2O3 in lampenrelevanten Salzsystemen durch isotherme Auslagerungsexperimente ermittelt. Die beobachteten Korrosionsphänomene wurden in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung innerhalb der Entladungsgefäße und den Zusammensetzungen der Halogenide beschrieben und interpretiert. Unterstützend erfolgten
Auslagerungsexperimente im thermischen Gradienten.
Des Weiteren wurden thermodynamische Daten zu den Korrosionsphasen Dy3Al5O12,
DyAlO3 und Dy4Al2O9 mit Hilfe der Knudsen-Effusionsmassenspektrometrie bestimmt. Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, die Korrosionsprozesse modellmäßig zu beschreiben, um durch gezielte Maßnahmen die Lebensdauer der Lampen zu erhöhen.
Ceramic discharge vessels in metal halide lamps made of polycrystalline alumina (PCA)
instead of quartz glass find application at higher temperatures and this results in
increased efficiency of the lamps.
Discharge vessels contain a mixture of various metal halides like NaI, DyI3, CeI3, which influence the spectral properties of the lamps. Under operating conditions, these metal halides form, apart from the gas phase, a liquid phase also. In particular the liquid phase reacts with the wall material PCA resulting in the formation of rare-earth-aluminates.Furthermore, a transport of aluminum oxide, along a temperature gradient parallel to the vessel wall, takes place. This transport results in reduction of wall thickness and finally causes a leakage in the vessel wall. The corrosion of the wall material is the most frequent reason for the failure of the lamps.
The aim of the investigations presented in this work is to elucidate the particular
influence of the liquid phase in the corrosion and the chemical transport of Al2O3. For this purpose, solubility data of Al2O3 in lamp-relevant salt systems were determined by isothermal annealing experiments. The observed corrosion phenomena were described and interpreted with respect to the temperature distribution inside the burner vessels and the compositions of the halides. Additionally annealing experiments in a temperature gradient were conducted.
Furthermore thermodynamic data for the corrosion phases Dy3Al5O12, DyAlO3 and
Dy4Al2O9 were determined by the method of Knudsen Effusion Mass Spectrometry. The present work shall contribute to model the observed corrosion processes in order to increase the lifetime of the lamps by selective means.
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