RU2214920C2 - Многослойный материал - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к получению многослойных материалов, работающих в условиях температурных перепадов, которые могут быть использованы для изготовления стенок теплообменников, стенок камеры сгорания и сопла ракетного двигателя, стенок охлаждаемых лопаток турбин и др. Предложен многослойный материал для изготовления деталей, работающих в условиях температурных перепадов от 200 до 400^oС по толщине, сохраняющих свою геометрию в течение термоцикла, содержащий два или более слоев материалов с различными коэффициентами линейного расширения и механическими свойствами. При этом слой, подвергающийся воздействию более высокой температуры, выполнен из материала с коэффициентом линейного расширения меньше, чем коэффициент линейного расширения материала соседнего слоя, работающего при более низкой температуре, при этом выполняется соотношение:

коэффициенты линейного расширения используемых в соседних слоях материалов, Т_сред - температура окружающей среды в начале работы, T_(i-1)max, T_imax - максимальные температуры на поверхности слоев в цикле. Техническим результатом является получение материала, не испытывающего температурных деформаций при возникновении температурных перепадов на его поверхности. 2 з.п.ф-лы.

Description

Изобретение относится к классу многослойных материалов, напряженно-деформированное состояние деталей из которых зависит от их температурного состояния, работающих в условиях температурных перепадов от 200 до 400^oС и более по толщине.

Известны сложные многослойные материалы - биметаллы, изменяющие свою геометрию под действием температур. Это качество основано на использовании нескольких слоев материалов, имеющих разный коэффициент линейного расширения. При равномерном нагреве слой, имеющий больший коэффициент линейного расширения (т. н. активный слой), расширяется в большей степени, чем слой, имеющий меньший коэффициент линейного расширения (т.н. пассивный слой). Нагрев детали из такого материала сопровождается изменением ее геометрии. Биметаллы нашли широкое применение в электротехнике в качестве релейных и выключающих температурозависимых и защитных элементов, а также в некоторых гидро-пневморегулирующих системах в качестве активных регулирующих и управляющих элементов.

Вместе с тем, ряд деталей (например, стенка теплообменника, стенка жаровой трубы камеры сгорания газотурбинного двигателя (ГТД), стенка камеры сгорания и сопла жидкостного реактивного двигателя (ЖРД), стенка охлаждаемой лопатки турбины и т.п.) подвергается неравномерному нагреву с высоким перепадом температур (200-600^oС). При этом геометрия детали не изменяется вследствие ее высокой жесткости, а в конструкции возникают высокие термические напряжения, что приводит к ее разрушению от термоусталости.

Для предотвращения разрушения деталей необходим многослойный материал со специально подобранньми свойствами слоев.

Известны многослойные материалы, применяемые для изготовления камер сгорания (патент РФ 2147998 "Слоистый жаропрочный композиционный материал"), состоящие из чередующихся слоев ниобиевого сплава НбЦУ и титанового сплава BTI-О, причем слой ниобиевого сплава располагается на поверхности стенки. Такая конструкция позволяет повысить жаростойкость конструкции при снижении ее веса за счет использования имеющего низкий удельный вес и высокую прочность титана и снизить стоимость конструкции.

Однако существенным недостатком данной конструкции является наличие в ней больших температурных напряжений, поскольку коэффициенты температурного расширения материалов слоев существенно различаются.

Задача изобретения - материал, не испытывающий температурные деформации при возникновении температурных перепадов на его поверхностях, что должно привести к повышению термоциклической долговечности детали.

Указанная задача решается тем, что материал слоев, находящихся со стороны высокой температуры, имеет меньший коэффициент линейного расширения, чем материал слоев с холодной стороны. При этом выполняется следующее соотношение

где α_i-1,α_i - коэффициенты линейного расширения используемых в соседних слоях материалов,
Т_сред - температура окружающей среды в начале работы,
T(_i-1)_max, T_imах - максимальные температуры на поверхности слоев в цикле.

В этом случае изменение размеров горячих слоев за термоцикл будут равны изменению размеров с холодной стороны. При этом в многослойном материале термические напряжения будут равны нулю.

Для упрощения подбора материалов, обеспечивающих минимальный уровень термических повреждений материала, можно использовать соотношение

где α_i-1,α_i - коэффициенты линейного расширения используемых в соседних слоях материалов,
Т_сред - температура окружающей среды в начале работы,
T_(i-1)max, Т_imax - максимальные температуры на поверхности слоев в цикле,
E_i-1, Е_i - модули упругости.

Соотношение (2) учитывает различие модулей упругости материалов.

Температура соприкасающихся поверхностей слоев одинакова. Для обеспечения равенства температурного градиента на каждом слое толщина слоев определяется из соотношения
δ_i/δ_i-1 = a•(λ_i/λ_i-1), (3)
где λ_i-1,λ_i - коэффициенты теплопроводности материала соседних слоев,
δ_i-1,δ_i - толщина соседних слоев материала,
a = f((σ_0,05)_i/(σ_0,05)_i-1) - коэффициент, учитывающий механические свойства материалов и свойства переходной зоны между слоями в зависимости от технологии их соединения,
(σ_0,05)_i-1,(σ_0,05)_i - предел пропорциональности материала соседних слоев при их рабочих температурах.

Изобретение позволяет существенно повысить термоциклическую долговечность материалов, являющеюся определяющим фактором ресурса для конструкций, подвергающихся действию высоких температурных перепадов по их толщине, поскольку приводит к снижению термических напряжений и деформаций.

В современных ГТД на стенках жаровых труб камер сгорания температура со стороны горячего газа может достигать величины 1000-1050^oС при температуре на "холодной" стороне стенки - 700-770^oС. Одним из применяемых для таких конструкций материалов является сплав ВХ-4А [1], из которого изготавливается жаровая труба. По результатам экспериментов и данным по наработке конструкции из сплава ВХ-4А размах полной деформации с указанным перепадом между поверхностями при термоциклировании в диапазоне 20←→1050^oС на горячей составляет 1,14%, что соответствует долговечности 1000 термоциклов. Повышение ресурса может быть достигнуто, например, применением другого материала, например сплава ВЖ-145 (ТУ 14-1-4475-88). Для конструкции из сплава ВЖ-145 размах полной деформации в тех же условиях составляет 1,05%. При этом термоциклическая долговечность увеличивается до 3500 циклов.

Стенка может быть изготовлена из биметаллов с использованием материалов ВХ-4А, ВЖ-145, ВЖ-98 [2]:
Вариант 1.

"Холодный " слой из сплава ВЖ-145, "горячий" слой - ВХ-4А.

Т_min=750^oC, α₁=15•10⁶ 1/град, Е₁=14000 кг/мм².

Т_min=1000^oC, α₂=14,5•10⁶ 1/град, Е₂=11150 кг/мм².

Вариант 2.

"Холодный" слой из сплава ВЖ-98, "горячий" слой - ВХ-4А.

Т_min=750^oC, α₁=17,6•10⁶ 1/град, Е₁=12200 кг/мм².

Т_min=1050^oC, α₂=14,5•10⁶ 1/град, Е₂=11150 кг/мм^2.
В случае использования биметаллической стенки конструкции по вариантам 1 и 2 размах деформаций составит 0,64% и 0,38% соответственно, что повысит ее термоциклическую долговечность по сравнению с реально используемой сплошной стенкой из сплава ВХ-4А приблизительно в 5 и 25 раз и составит 5000 и 25000 термоциклов.

В зоне соединения слоев (по вариантам 1 и 2), имеющей Т_max≈935^oС, размах полной деформации Δε ≈0,2% и 0,47%, что соответствует термоциклической долговечности более 100 000 циклов.

Таким образом, использование в качестве материалов слоев сплавов ВЖ-98 и ВХ-4А даст существенное возрастание термоциклического ресурса конструкции.

Соотношение толщин слоев материалов в биметалле определяется в соответствии с выражением (3) с учетом значений λ и σ_0,05:
ВХ-4А: λ(Т=1050^oС)=0,17кал/см•сек•^oС
σ_0,05(Т=1050^oС)=4кг/мм²
ВЖ-98: λ(Т=750^oС)=0,056кал/см•сек•^oС
σ_0,05(Т=750^oС)=19кг/мм²
По результатам экспериментов при соединении слоев контактной сваркой с последующей раскаткой заготовки до необходимой толщины коэффициент a = f((σ_0,05)_ВХ-4А/(σ_0,05)_ВЖ-98)
Таким образом

Подставив значения, получим соотношения толщин материалов в биметалле:
δ_ВХ-4A/δ_ВЖ-98 = 0,6.
Литература
1. Химушин Ф. Ф. "Жаропрочные стали и сплавы." Изд. "Металлургия" М., 1969г., с.713-716.

2. Химушин Ф. Ф. "Жаропрочные стали и сплавы." Изд. "Металлургия" М., 1969г., с.197-198.

Claims (3)

1. Многослойный материал для изготовления деталей, работающих в условиях температурных перепадов от 200 до 400^oС по толщине, сохраняющих свою геометрию в течение термоцикла, содержащий два или более слоев материалов с различными коэффициентами линейного расширения и механическими свойствами, отличающийся тем, что слой, подвергающийся воздействию более высокой температуры, выполнен из материала с коэффициентом линейного расширения меньше, чем коэффициент линейного расширения материала соседнего слоя, работающего при более низкой температуре, при этом выполняется соотношение

где α_i-1α_i- коэффициенты линейного расширения используемых в соседних слоях материалов;
Т_сред - температура окружающей среды в начале работы;
T_(i-1)max, T_1max - максимальные температуры на поверхности слоев в цикле.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что слой, подвергающийся воздействию более высокой температуры, выполнен из материала с модулем упругости меньше, чем модуль упругости материала соседнего слоя, работающего при меньшей температуре, при этом выполняется соотношение:

где α_i-1α_i - коэффициенты линейного расширения используемых в соседних слоях материалов;
Т_сред - температура окружающей среды в начале работы;
T_(i-1)max, Т_{i max} - максимальные температуры на поверхности слоев в цикле;
Е_i-1, E_i - модули упругости используемых в соседних слоях материалов.

3. Материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что слои выполнены по толщине пропорционально коэффициенту теплопроводности с учетом механических свойств материалов слоев при рабочих температурах, при этом выполняется соотношение:
δ_i/δ_i-1 = a(λ_i/λ_i-1),
где λ_i, λ_i-1 - коэффициенты теплопроводности материала соседних слоев;
δ_i, δ_i-1 - толщина соседних слоев материала;
a = f[σ_0,05)_i/(σ_0,05)_i-1] - коэффициент, учитывающий свойства материалов, где (σ_0,05)_i, (σ_0,05)_i-1 предел пропорциональности материала соседних слоев при их рабочих температурах.