RU162257U1 - Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью - Google Patents

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный титановый слой, а также интерметаллидный и медный слои, отличающийся тем, что он выполнен с чередованием слоёв: титан - ниобий - медь - никель - интерметаллид (внутренний слой), причём интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, толщина титанового слоя - 4-6 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, медного - 2-4 мм, никелевого - 1,2-1,6 мм, интерметаллидного - 0,05-0,07 мм.

Description

Полезная модель относится к изделиям трубчатой формы, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в химических, энергетических установках и т.п.

Известна цельносварная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненная в виде пятислойной трубы, в которой наружный и внутренний слои выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм (0,015-0,02 мм), все металлические слои теплозащитного экрана соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой. (Патент на полезную модель №85856, МПК B32B 15/20, B23K 101/14, опубл. 20.08.2009).

Недостатком данной конструкции является невысокое термическое сопротивление поперек слоев из-за малой суммарной толщины теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 0,04 мм, малая прочность при сжимающих нагрузках, низкие окалиностойкость и коррозионная стойкость, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненная в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей медный слой и два теплозащитных слоя из интерметаллидов, у которого наружный и внутренний слои выполнены из титана, средний слой - из меди, а расположенные между медным слоем и слоями из титана теплозащитные слои - из интерметаллидов системы титан-медь толщиной 0,1-0,2 мм, толщина внутреннего титанового слоя не менее 2 мм. (Патент на полезную модель №154493, МПК B32B 15/01, B32B 15/20, B23K 101/04, B23K 20/08, опубл. 27.08.2015 - прототип).

Недостатком данной конструкции является малая жаростойкость внутреннего титанового слоя в окислительных газовых средах: рабочая температура ее внутренней поверхности в таких средах не превышает 500°С, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках, где требуется высокая жаростойкость внутренней поверхности в окислительных газовых средах.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой пятислойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы из титана, ниобия, меди и никеля с интерметаллидным слоем на внутренней поверхности изделия из алюминия и никеля, с более высокой, в сравнении с прототипом, жаростойкостью внутренней поверхности изделия в окислительных газовых средах, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках, высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев и высокой коррозионной стойкости наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение, в сравнении с прототипом, в 2 раза рабочей температуры внутренней поверхности изделия в окислительных газовых средах с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках, высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев и высокой коррозионной стойкости наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный титановый слой, а также, интерметаллидный и медный слои, выполнен с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - никель - интерметаллид (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, толщина титанового слоя - 4-6 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, медного - 2-4 мм, никелевого - 1,2-1,6 мм, интерметаллидного - 0,05-0,07 мм.

В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен с чередованием слоев: титан - ниобий - медь - никель - интерметаллид (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, что обеспечивает ему повышение в сравнении с прототипом в 2 раза рабочей температуры внутренней поверхности в окислительных газовых средах, повышенную прочность при поперечных сжимающих нагрузках и высокое термическое сопротивление его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.

Как и у изделий по прототипу, наружный титановый слой обеспечивает высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, благодаря низкой теплопроводности титана, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с медным, ниобиевым и никелевым слоями, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия. В отличие от прототипа предложено выполнять наружный титановый слой толщиной равной 4-6 мм, что обеспечивает получение у композиционного теплозащитного экрана необходимого высокого термического сопротивления, а также высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках. Кроме того, такая толщина внутреннего слоя необходима для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок. Толщина этого слоя менее 4 мм не обеспечивает у теплозащитного экрана необходимого уровня термического сопротивления, а также прочностных свойств при сжимающих нагрузках, а толщина этого слоя более 6 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего титана в расчете на одно изделие.

Смежный с титановым слоем слой из ниобия предложено выполнять толщиной, равной 0,8-1,2 мм. Этот слой, в первую очередь, выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным и титановым слоями, препятствует образованию между медью и титаном хрупкого интерметаллидного слоя, который мог бы, в случае его появления при отсутствии ниобиевого слоя, снизить долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, слой из ниобия, совместно с другими металлическими слоями, способствует формированию высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 0,8 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 1,2 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего ниобия в расчете на одно изделие.

Смежный с ниобиевым слоем медный слой предложено выполнять толщиной, равной 2-4 мм. Этот слой способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижает склонность наружного интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. Кроме того, в зоне соединения этого слоя со смежными с ним никелевым и ниобиевым слоями как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 2 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 4 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу меди в расчете на одно изделие.

Смежный с медным слоем слой из никеля предложено выполнять толщиной, равной 1,2-1,6 мм. Этот слой необходим для формирования наружного жаростойкого интерметаллидного слоя из алюминия и никеля при термической обработке сваренной взрывом многослойной заготовки, содержащей вспомогательный тонкий алюминиевый слой. В зоне соединения никелевого слоя со смежным с ним медным слоем как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, этот слой способствует формированию, совместно с другими металлическими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках. Толщина этого слоя менее 1,2 мм затрудняет получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций при сварке взрывом, а толщина этого слоя более 1,6 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.

Смежный с никелевым слоем внутренний интерметаллидный слой композиционного теплозащитного экрана помимо повышения рабочей температуры его внутренней поверхности в окислительных газовых средах, обеспечивает ему еще и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи в поперечном направлении. Предложено этот слой выполнять из алюминия и никеля, поскольку он обладает значительно большей жаростойкостью, чем внутренний титановый слой в изделиях по прототипу. Предложено толщину внутреннего интерметаллидного слоя выполнять равной 0,05-0,07 мм, что обеспечивает необходимую повышенную жаросостойкость наружной поверхности изделия при длительном воздействии окислительных газовых сред. Кроме того, этот слой, обладая низкой теплопроводностью, способствует формированию, совместно с другими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев. Толщина этого слоя менее 0,05 мм не обеспечивает у него необходимого высокого термического сопротивления, а его толщина более 0,07 мм является избыточной, поскольку при этом повышается его склонность к выкрашиванию при локальных ударных нагрузках.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен внешний вид композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью с вырезанной для наглядности четвертью, на фиг. 2 - часть продольного разреза стенки трубы с указанием расположения слоев: наружного титанового 1, ниобиевого 2, медного 3, никелевого 4 и внутреннего интерметаллидного 5.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной пятислойной трубы, с чередованием слоев: титан (наружный слой) - ниобий - медь - никель - интерметаллид (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, толщина титанового слоя - 4-6 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, медного - 2-4 мм, никелевого - 1,2-1,6 мм, интерметаллидного - 0,05-0,07 мм.

Наружный титановый слой 1 обеспечивает высокую коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред, например в хлоридах. Этот слой, благодаря низкой теплопроводности титана, способствует существенному повышению термического сопротивления стенки композиционного теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также, совместно с медным, ниобиевым и никелевым слоями, повышению его прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, низкая плотность титана способствует существенному снижению массы получаемого изделия.

Смежный с титановым слоем слой из ниобия 2 выполняет функции вспомогательной промежуточной прослойки между смежными с ним медным и титановым слоями, препятствует возникновению в зонах соединения хрупких интерметаллидных фаз, снижающих служебные свойства изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, слой из ниобия, совместно с другими металлическими слоями, способствует формированию высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках.

Смежный с ниобиевым слоем медный слой 3 способствует стабилизации температуры внутренней поверхности по длине изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, снижает склонность внутреннего интерметаллидного слоя к хрупкому разрушению при резких перепадах давления как во внутренней полости, так и снаружи изделия. Кроме того, в зоне соединения этого слоя со смежными с ним никелевым и ниобиевым слоями как в процессе получения изделия, так и в процессе последующей его эксплуатации не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Совместно с другими металлическими слоями этот слой способствует формированию, высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках.

Смежный с медным слоем слой из никеля 4 необходим для формирования наружного жаростойкого интерметаллидного слоя из алюминия и никеля при термической обработке сваренной взрывом многослойной заготовки. При сварке взрывом никеля с медью, а также при последующей эксплуатации изделия не возникает нежелательных хрупких фаз, снижающих долговечность изделия в условиях ударных и циклических нагрузок. Кроме того, этот слой способствует формированию, совместно с другими металлическими слоями, высокого термического сопротивления стенки теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек слоев, а также высокой прочности изделия при сжимающих нагрузках.

Смежный с никелевым слоем жаростойкий внутренний интерметаллидный слой 5 из алюминия и никеля помимо повышения в 2 раза, в сравнении с прототипом, рабочей температуры изделия в окислительных газовых средах, обеспечивает ему еще и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи в поперечном направлении.

Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к внутреннему титановому слою, например, аргонодуговой сваркой металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и повышенной прочностью при сжимающих нагрузках. Внутренний интерметаллидный слой из алюминия и никеля обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом жаростойкость внутренней поверхности теплозащитного экрана в условиях окислительных газовых сред, а наружный титановый слой - высокую коррозионную стойкость его наружной поверхности, например, в хлоридах.

Пример исполнения 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ1-00. ниобий марки ВН2, медь марки M1 и никель марки НП1. При получении изделия для формирования интерметаллидного слоя использовали также вспомогательный слой из алюминия марки АД1.

Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 250 мм, ее наружный диаметр D_н=95 мм, внутренний - D_в=78,9 мм. Толщина титанового слоя - 4 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ниобиевым медного слоя -2 мм, смежного с медным никелевого слоя - 1,2 мм, толщина смежного с никелевым внутреннего интерметаллидного слоя - 0,05 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2 раза большей рабочей температурой внутренней поверхности в окислительных газовых средах (у предлагаемой конструкции - 1000°С, а у изделий по прототипу - 500°С), в 2,4-3,3 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках, чем в примерах 1-3 у изделий по прототипу, как и у изделий по прототипу, обеспечивается высокая коррозионная стойкость наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах.

Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э равно сумме термических сопротивлений всех слоев, входящих в его состав, и рассчитывается для каждого слоя как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности. В данном примере R_э=28·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,35 раза больше, чем у изделия по прототипу, изготовленного по примеру 1, в 1,13 раза больше, чем у изделия, изготовленного по прототипу, как в примере 2, и такого же уровня, как в примере 3 изделия по прототипу.

Пример исполнения 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=110 мм, внутренний - D_в=89,1 мм. Толщина титанового слоя - 5 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 1 мм, смежного с ниобиевым медного слоя -3 мм, смежного с медным никелевого слоя - 1,4 мм, толщина смежного с никелевым внутреннего интерметаллидного слоя - 0,06 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 3,1-4,3 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках чем у изделий по прототипу, изготовленным по примерам 1-3.

Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э=35·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,2-1,75 раз больше, чем у изделий по прототипу, изготовленных как в примерах 1-3).

Пример исполнения 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=125 мм, внутренний - D_в=99,3 мм. Толщина титанового слоя - 6 мм, смежного с ним ниобиевого слоя - 1,2 мм, смежного с ниобиевым медного слоя - 4 мм, смежного с медным никелевого слоя - 1,6 мм, толщина смежного с никелевым внутреннего интерметаллидного слоя - 0,07 мм.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает в 3,8-5,3 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках чем у изделий по прототипу, изготовленным по примерам 1-3.

Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э=41,7·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,45-2 раза больше, чем у изделий по прототипу, изготовленным как в примерах 1-3.

Claims (1)

1. Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной пятислойной трубы, содержащей наружный титановый слой, а также интерметаллидный и медный слои, отличающийся тем, что он выполнен с чередованием слоёв: титан - ниобий - медь - никель - интерметаллид (внутренний слой), причём интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, толщина титанового слоя - 4-6 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, медного - 2-4 мм, никелевого - 1,2-1,6 мм, интерметаллидного - 0,05-0,07 мм.

   

Images