КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН С ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТЬЮ

Полезная модель относится к изделиям трубчатой формы, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в химических, энергетических установках и т.п.
Известна листовая конструкция теплозащитного элемента со сквозным внутренним каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П. Трыков, В.Г. Шморгун, Д.В. Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство. №6, 2000 г., С. 40-43).
Недостатком данной конструкции является то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образован лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на металлах, примыкающих к внутреннему каналу, теплозащитный слой отсутствует, внутренний канал окружен разнородными материалами, поэтому теплообмен с окружающей средой неодинаков на разных участках изделия. Кроме того, эти изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при динамических нагрузках, а это 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 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 - прототип).
Недостатком данной конструкции является малая суммарная толщина теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 0,04 мм, поэтому эти изделия имеют невысокое термическое сопротивление поперек слоев. Кроме того, такие изделия имеют невысокую износостойкость наружной поверхности при воздействии абразивных сред и малую прочность при сжимающих нагрузках, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой четырехслойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы, содержащей титановый и медный слои, а также два интерметаллидных слоя, состоящих из титана и меди, с более высоким в сравнении с прототипом термическим сопротивлением его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев, с более высокой прочностью при сжимающих нагрузках, а также с большей износостойкостью наружной поверхности при воздействии абразивных сред.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 7,5-14 раз термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, в 1,6-3,1 раза прочности при сжимающих нагрузках и в 3-3,5 раза износостойкости наружной поверхности при воздействии абразивных сред.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей внутренний медный слой и два интерметаллидных слоя, выполнен четырехслойным с чередованием слоев: интерметаллид (наружный слой) - титан - интерметаллид - медь (внутренний слой), причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у расположенного между титановым и медным слоями интерметаллидного слоя - 0,1-0,2 мм, толщина внутреннего медного слоя не менее 2 мм.
В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен четырехслойным с чередованием слоев: интерметаллид (наружный слой) - титан - интерметаллид - медь (внутренний слой), что обеспечивает предлагаемой конструкции, в сравнении с прототипом, значительно более высокую прочность при сжимающих нагрузках, а также износостойкость его наружной поверхности. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности, титановый слой способствует существенному повышению теплозащитных свойств предлагаемого изделия. Внутренний медный слой способствуют стабилизации температуры внутренней поверхности изделия при воздействии с внешней стороны теплозащитного экрана концентрированных источников нагрева, совместно с титановым слоем способствует повышению прочности предлагаемой конструкции. При получении данного теплозащитного экрана для формирования интерметаллидных слоев используют слои из титана и меди, поскольку интерметаллидные слои состава титан-медь обладают значительно более высокими теплозащитными свойствами, чем интерметаллидные слои состава медь - алюминий в изделиях по прототипу. Наружный интерметаллидный слой, помимо повышения термического сопротивления, обеспечивает высокую износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред. Предложено толщину наружного интерметаллидного слоя выполнять равной 0,02-0,03 мм, что обеспечивает необходимую повышенную износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред. Толщина этого слоя менее 0,02 мм не обеспечивает необходимую величину допускаемого износа, а его толщина более 0,03 мм является избыточной, поскольку при этом повышается его склонность к выкрашиванию при локальных ударных нагрузках.
Предложено расположенный между титановым и медным слоями интерметаллидный слой выполнять с толщиной, равной 0,1-0,2 мм, что обеспечивает у него необходимое высокое термическое сопротивление. Его толщина менее 0,1 мм является недостаточной для обеспечения необходимых теплозащитных свойств, а его толщина более 0,2 мм является избыточной, поскольку при этом у него повышается вероятность хрупкого разрушения при циклических нагрузках в процессе эксплуатации изделия.
Предложено внутренний медный слой теплозащитного экрана выполнять толщиной не менее 2 мм, поскольку при толщине этого слоя менее 2 мм затрудняется получение качественных изделий без неконтролируемых деформаций в процессе сварки взрывом.
Толщину титанового слоя, смежного с интерметаллидными слоями, выбирают исходя из требуемой прочности предлагаемого теплозащитного экрана, необходимого термического сопротивления его стенки и экономии материалов на его изготовление.
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.
Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной четырехслойной трубы, с чередованием слоев: наружный интерметаллидный 1, титановый 2, интерметаллидный 3 и внутренний медный слой 4. Оба интерметаллидных слоя состоят из титана и меди. Толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у расположенного между титановым и медным слоями интерметаллидного слоя толщина 0,1-0,2 мм, толщина внутреннего медного слоя - не менее 2 мм. Наружный интерметаллидный слой, помимо повышения у экрана теплозащитных свойств, обеспечивает повышенную износостойкость его наружной поверхности при воздействии абразивных сред. Интерметаллидный слой 3 - теплозащитный. Совместно со слоями 1, 2, 4 он обеспечивает предлагаемой конструкции необходимое высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Титановый слой, в сочетании с медным слоем оптимальной толщины, обеспечивает предлагаемой конструкции, в сравнении с прототипом, значительно более высокую прочность при сжимающих нагрузках.
Внутренний медный слой, благодаря его высокой теплопроводности, способствует ускорению выравнивания температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.
Работа композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают к медному слою, например, сваркой плавлением металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через четырехслойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением и высокой прочностью при сжимающих нагрузках. Наружный интерметаллидный слой обеспечивает повышенную износостойкость наружной поверхности изделия при воздействии абразивных сред.
Пример исполнения 1.
н
в
В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали титан марки ВТ 1-00 и медь марки Ml. Данный экран изготовлен в виде цельносварной четырехслойной трубы длиной 200 мм, ее наружный диаметр D=86,1 мм, внутренний - D=80 мм. Его наружный интерметаллидный слой имеет толщину 0,02 мм, титановый - 0,94 мм, медный - 2 мм. У расположенного между титановым и медным слоями теплозащитного интерметаллидного слоя толщина 0,1 мм.
э
э
-5
2
-5
2
Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R 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=7,8·10 К/(Вт/м), что в 7,5-9,5 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу, у которого термическое сопротивление стенки не превышает (0,82-1,02)·10 К/(Вт/м).
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 1,6-2,2 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках и в 3-3,5 раза большей износостойкостью наружной поверхности при воздействии абразивных сред.
Пример исполнения 2.
н
в
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=97 мм, внутренний - D=90 мм. Его наружный интерметаллидный слой имеет толщину 0,025 мм, титановый - 1,12 мм, медный - 2,21 мм. У расположенного между титановым и медным слоями интерметаллидного слоя толщина 0,15 мм.
э
-5
2
Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R=9,7·10 К/(Вт/м), что в 9-12 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 1,9-2,7 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.
н
в
Пример исполнения 3. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D=107,8 мм, внутренний - D=100 мм. Его наружный интерметаллидный слой имеет толщину 0,03 мм, титановый - 1,29 мм, медный - 2,38 мм. У расположенного между титановым и медным слоями интерметаллидного слоя толщина 0,2 мм.
э
-5
2
Термическое сопротивление стенки коррозионностойкого теплозащитного экрана R=11,6·10 К/(Вт/м), что в 11-14 раз больше, чем у изделия полученного по прототипу.
Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2,3-3,1 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.