ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН

Полезная модель относится к изделиям, 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, содержащая верхнюю -фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный и внутренний слой экрана выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм. Все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой.
Недостатком данной конструкции является малая суммарная толщина теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь, не превышающая 30-40 мкм, поэтому они обладают сравнительно невысоким термическим сопротивлением, что весьма ограничивает применение таких изделий в качестве теплозащитных устройств (Патент на полезную модель №86899, МПК B23K 20/08, B23K 101/14, опубл. 20.09.2009).
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция коррозионно-стойкого теплозащитного экрана, выполненного многослойным из чередующихся слоев коррозионно-стойкой стали, теплозащитных интерметаллидных и титановых слоев. Данный экран состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, количество титановых слоев в теплозащитном экране не менее двенадцати, причем количество теплозащитных интерметаллидных слоев равно 2·N, где N количество титановых слоев, при этом наружные слои выполнены из коррозионно-стойкой стали, все стальные слои соединены с титановыми по всем поверхностям контакта сваркой взрывом с последующим формированием между ними термической обработкой сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев из титана и стали толщиной 0,2-0,3 мм, при этом их суммарная толщина составляет 36,4-48% толщины коррозионно-стойкого теплозащитного экрана.
Недостатком данной конструкции является то, что ее наружный стальной облицовочный слой из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т не обладает необходимой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред, например, в хлоридах. При наличии повышенных концентраций хлоридов наблюдается питтинговая коррозия, что является основной причиной разрушения изделий из таких сталей. Кроме того, интерметаллидные слои в этой конструкции состоят из титана и стали, то есть из металлов с пониженной склонностью к взаимной диффузии, из-за чего на формирование единицы толщины каждой интерметаллидной прослойки при изготовлении изделия в процессе операции термообработки требуется очень много времени. Так, например, для формирования каждой интерметаллидной прослойки толщиной 0,3 мм при температуре 900°C требуется не менее 7 часов, что приводит к значительному повышению стоимости получаемых изделий. Еще одним недостатком данной конструкции является значительная неравномерность температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.
Все это весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в химических и энергетических установках. (Патент на полезную модель №107995, МПК B23K 20/08, B23B 7/4, опубл. 10.09.2011 - прототип).
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции теплозащитного экрана с наружным слоем, выполненным из слоистого композиционного материала (СКМ), состоящего из титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, с внутренним слоем - из меди, с более высокой в сравнении с прототипом коррозионной стойкостью ее наружной поверхности условиях агрессивных сред с обеспечением при этом у нее высокого термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, с использованием при этом для формирования сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев металла с более высокой диффузионной активностью по отношению к титану - меди, и, благодаря этому, со значительным сокращением времени на формирование единицы толщины каждого интерметаллидного слоя при получении изделия, а также с получением более стабильного распределения температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом коррозионной стойкости ее наружной поверхности в условиях агрессивных сред, например в хлоридах, с обеспечением высокого термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, а также сокращение при получении изделий в 62-70 раз времени на формирование единицы толщины каждого теплозащитного интерметаллидного слоя, получение более стабильного распределения температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла.
Указанный технический результат достигается тем, что теплозащитный экран, выполненный как одно целое в виде многослойной оболочки, содержащий титановые и интерметаллидные слои, состоит из плоской центральной части, средней - конической и плоской периферийной, наружный слой теплозащитного экрана выполнен из слоистого композиционного материала (СКМ) с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь толщиной 0,3-0,4 мм, внутренний - из меди толщиной 2-4 мм, причем количество титановых слоев в не менее двадцати, количество интерметаллидных слоев соответствует количеству слоев титана, при этом суммарная толщина интерметаллидных слоев составляет 48-62,5% толщины СКМ.
В отличие от прототипа коррозионно-стойкий теплозащитный экран выполнен как одно целое в виде многослойной оболочки, содержащий титановые и интерметаллидные слои, и состоит из плоской центральной части, средней - конической и плоской периферийной, что обеспечивает у нее повышенную прочность при значительных изгибающих нагрузках и давлениях, облегчает закрепление, например, аргоно-дуговой сваркой или иным способом, в центральной плоской части изделия различных деталей приборов или иного оборудования и, благодаря наличию плоской периферийной части, позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления. Средняя часть теплозащитного экрана выполнена конической, что облегчает процесс его горячей штамповки, снижает количество брака из-за разрушения его отдельных слоев в стадии деформирования. Кроме того, в ее полости наиболее удобно размещать датчики и иное оборудование.
Наружный слой теплозащитного экрана предложено выполнять из СКМ с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь, что обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом, коррозионную стойкость наружной поверхности изделия в условиях агрессивных сред и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев, поскольку титан обладает значительно большей коррозионной стойкостью, чем сталь, используемая для изготовления изделий по прототипу, а интерметаллидные слои системы титан-медь, обладающие высоким термическим сопротивлением, совместно с титановыми слоями, обеспечивают высокие теплозащитные изделия в целом. Кроме того, из-за высокой активности титана и меди к взаимной диффузии при повышенных температурах, на формирование единицы толщины каждого теплозащитного интерметаллидного слоя из титана и меди требуется в 62-70 раз меньше времени, чем при получении изделий по прототипу, где теплозащитные интерметаллидные слои сформированы из титана и стали. Внутренний слой теплозащитного экрана предложено выполнять из меди толщиной 2-4 мм, что обеспечивает, благодаря высокой теплопроводности меди, получение стабильного распределения температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность концентрированных источников тепла. Толщина медного слоя менее 2 мм является недостаточной для обеспечения стабильного распределения температуры на внутренней поверхности теплозащитного экрана, а его толщина более 4 мм является избыточной, приводящей к лишнему расходу меди в расчете на одно изделие.
Предложено количество титановых слоев в СКМ при изготовлении изделия использовать не менее двадцати, при этом количество интерметаллидных слоев в СКМ должно соответствовать количеству слоев титана, суммарная толщина интерметаллидных слоев должно составлять 48-62,5% толщины СКМ при толщине каждого из них равной 0,3-0,4 мм, что, в совокупности, обеспечивает высокое и постоянное во всем объеме изделия высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Наружный (облицовочный) слой у СКМ из титана обеспечивает повышенную коррозионную стойкость конструкции при непосредственном контакте с агрессивными средами снаружи изделия. Слои из титана в СКМ, помимо создания дополнительного термического сопротивления, повышают также прочность и стойкость изделия к хрупкому разрушению при знакопеременных нагрузках. Количество титановых и теплозащитных интерметаллидных и слоев ниже нижнего предлагаемого предела приводит к снижению прочностных и теплозащитных свойств предлагаемой конструкции. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и их суммарной толщине в СКМ ниже нижних предлагаемых пределов происходит снижение термического сопротивления изделия при направлении теплопередачи поперек слоев. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и их суммарной толщине в СКМ выше верхних предлагаемых пределов получаемая конструкция приобретает склонность к хрупкому разрушению при знакопеременных нагрузках, а это ограничивает возможность использования таких изделий в химической и иной аппаратуре ответственного назначения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен внешний вид теплозащитного экрана с вырезанной для наглядности четвертью, на фиг. 2 - расположение в его верхней и нижней части поперечного сечения титановых, теплозащитных интерметаллидных слоев, а также медного слоя. Получение данного теплозащитного экрана производится с помощью поэтапной сварки взрывом титановых и медных слоев, с применением операций обработки давлением: прокатки, штамповки, а также термической обработки отштампованных изделий для формирования интерметаллидных слоев необходимой толщины с требуемыми высокими теплозащитными характеристиками, с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из титана по всем поверхностям контакта, а это, в свою очередь, обеспечивает изделию необходимые прочность и долговечность при эксплуатации. Медные слои в результате взаимодействия с титановыми при термической обработке полностью превращаются в теплозащитные интерметаллидные, кроме внутреннего медного слоя, у которого в интерметаллиды превращается лишь его приповерхностный объем. Причем на формирование единицы толщины каждого теплозащитного интерметаллидного слоя из титана и меди требуется в 62-70 раз меньше времени, чем при получении изделий по прототипу.
Теплозащитный экран, выполнен как одно целое в виде многослойной оболочки, которая состоит из плоской центральной части 1, средней - конической 2 и плоской периферийной 3, что обеспечивает у нее повышенную прочность при значительных изгибающих нагрузках и давлениях, облегчает закрепление, на ней различных деталей приборов или иного оборудования, и, благодаря наличию плоской периферийной части, позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления в местах установки теплозащитного экрана, размещать в его полости датчики и иное оборудование. Наружный слой теплозащитного экрана выполнен из СКМ с чередованием титановых, например, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и интерметаллидных, например, 10, 11, 12, 13. 14, 15, слоев системы титан-медь толщиной 0,3-0,4 мм, причем количество титановых слоев в СКМ не менее двадцати, количество интерметаллидных слоев соответствует количеству слоев титана, суммарная толщина интерметаллидных слоев составляет 48-62,5% толщины СКМ. Титановый слой 4 в СКМ является наружным - облицовочным. Этот слой обеспечивают предлагаемому изделию более высокую, чем у прототипа, коррозионную стойкость в агрессивных средах, например в хлоридах. С другой стороны теплозащитного экрана расположен внутренний слой 16 толщиной 2-4 мм из меди, который, благодаря высокой теплопроводности меди, обеспечивает стабильное распределение температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны на его наружную поверхность из титана концентрированных источников тепла. Интерметаллидные слои СКМ, состоящие из титана и меди, обладающие высоким термическим сопротивлением, совместно с титановыми слоями обеспечивают предлагаемой конструкции необходимое высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев.
Использование теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. Экраном закрывают технологическое отверстие химического или иного аппарата для ограничения утечки тепловой энергии в атмосферу и закрепляют его на агрегате струбциной, болтами или иным способом так, чтобы его наружный титановый слой был обращен в сторону агрессивной среды. Ограниченный теплообмен с окружающей средой веществ-теплоносителей, находящихся внутри химического или иного аппарата, с окружающей средой осуществляется через многослойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением. Наружный титановый слой обеспечивает необходимую высокую коррозионную стойкость изделий при контакте с агрессивными средами с одной стороны теплозащитного экрана.
Пример исполнения 1.
В качестве исходных материалов для изготовления коррозионно-стойкого теплозащитного экрана использовали титан марки ВТ 1-00 и медь марки М1. Теплозащитный экран выполнен как одно целое в виде многослойной оболочки. Наружный слой теплозащитного экрана выполнен из СКМ с чередованием титановых и интерметаллидных слоев системы титан-медь. Количество титановых слоев в СКМ равно 20, при этом наружный титановый слой имеет толщину в около 1 мм, остальные - около 0,2 мм. Количество интерметаллидных слоев в СКМ соответствует количеству слоев титана. Толщина каждого интерметаллидного слоя равна 0,4 мм, суммарная толщина интерметаллидных слоев составляет 62,5% толщины СКМ, толщина слоя из меди равна 4 мм, толщина изделия - 16,8 мм.
э
э
пл
н
-3
2
Термическое сопротивление стенки 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=1,6·10 К/(Вт/м) постоянное на всех участках изделия и равно термическому сопротивлению изделия, полученного по прототипу (см. пример 3 описания по прототипу). На формирование каждой 0,1 мм толщины теплозащитного интерметаллидного слоя из титана и меди при температуре термообработки 900°C требуется 2,25 мин, что в 62 раза меньше чем при получении изделий по прототипу, где теплозащитные интерметаллидные слои сформированы из титана и стали. Теплозащитный экран состоит из плоской центральной части с диаметром со стороны наружного титанового слоя D=5 мм, средней конической части с углом наклона ее образующей относительно оси симметрии теплозащитного экрана равном 34°, и плоской периферийной части с наружным диаметром D=200 мм, высота экрана H=45 мм. Полученный теплозащитный экран обладает значительно большей коррозионной стойкостью наружной поверхности в условиях агрессивных сред, особенно в хлоридах, чем изделия по прототипу. Исследования показали, что нестабильность температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана (поверхности медного слоя) при воздействии с другой стороны в течение 1,3 ч на его наружную поверхность (на поверхность титанового слоя) концентрированного источника тепла с температурой 500°C не превышает 4°C, что не менее чем в 6 раз меньше, чем у изделия по прототипу.
Пример исполнения 2.
э
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Количество титановых слоев в СКМ равно 25, при этом наружный титановый слой имеет толщину в около 1 мм, остальные - около 0,25 мм. Количество интерметаллидных слоев в СКМ соответствует количеству слоев титана. Толщина каждого интерметаллидного слоя 0,35 мм, суммарная толщина интерметаллидных слоев составляет 55,5% толщины СКМ, толщина слоя из меди 3 мм, толщина изделия 18,7 мм, высота экрана H=50 мм. Термическое сопротивление стенки теплозащитного экрана R=1,83·10 К/(Вт/м) что на 14,3% больше термического сопротивления изделия, полученного по прототипу (см. пример 3 описания по прототипу). На формирование каждой 0,1 мм толщины теплозащитного интерметаллидного слоя из титана и меди при температуре термообработки 900°C требуется 2 мин, что в 70 раз меньше чем при получении изделий по прототипу. Нестабильность температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны в течение 1,3 ч на его наружную поверхность концентрированного источника тепла с температурой 500°C не превышает 5°C, что не менее чем в 5 раз меньше, чем у изделия по прототипу.
Пример исполнения 3.
э
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Количество титановых слоев в СКМ равно 29, при этом наружный титановый слой имеет толщину в около 1 мм, остальные - около 0,3 мм. Количество интерметаллидных слоев в СКМ соответствует количеству слоев титана. Толщина каждого интерметаллидного слоя 0,3 мм, суммарная толщина интерметаллидных слоев составляет 48% толщины СКМ, толщина слоя из меди 2 мм, толщина изделия 20 мм, высота экрана H=50 мм. Термическое сопротивление стенки теплозащитного экрана R=1,95·10 К/(Вт/м) что на 22,3% больше термического сопротивления изделия, полученного по прототипу (см. пример 3 описания по прототипу). На формирование каждой 0,1 мм толщины теплозащитного интерметаллидного слоя из титана и меди при температуре термообработки 900°C требуется 2 мин, что в 70 раз меньше чем при получении изделий по прототипу. Нестабильность температуры внутренней поверхности теплозащитного экрана при воздействии с другой стороны в течение 1,3 ч на его наружную поверхность концентрированного источника тепла с температурой 500°C не превышает 6°C, что не менее чем в 4 раза меньше, чем у изделия по прототипу.