RU163473U1

RU163473U1 - COMPOSITION HEAT PROTECTIVE SCREEN WITH INTERNAL CAVITY

Info

Publication number: RU163473U1
Application number: RU2015150425/05U
Authority: RU
Inventors: Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Сергей Петрович Писарев; Дмитрий Владимирович Проничев; Вячеслав Федорович Казак; Роман Евгеньевич Новиков; Александр Олегович Таубе; Александр Сергеевич Лыгин
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2016-07-20

Abstract

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей наружный интерметаллидный слой, а также медный и титановый слои, отличающийся тем, что он выполнен пятислойным с чередованием слоев: интерметаллид - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, его толщина 0,05-0,07 мм, толщина никелевого слоя 1,2-1,6 мм, медного - 2-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового - 4-6 мм.Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an external intermetallic layer, as well as copper and titanium layers, characterized in that it is made five-layer with alternating layers: intermetallic - nickel - copper - niobium - titanium (inner layer) moreover, the intermetallic layer consists of aluminum and nickel, its thickness is 0.05-0.07 mm, the thickness of the nickel layer is 1.2-1.6 mm, the copper layer is 2-4 mm, the niobium layer is 0.8-1.2 mm titanium - 4-6 mm.

Description

Полезная модель относится к изделиям трубчатой формы, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в химических, энергетических установках и т.п.The invention relates to tubular products made with the help of explosion energy, and is intended for use in chemical, power plants, etc.

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 В32В 15/20, В23К 101/14, опубл. 20.08.2009).The all-welded construction of a composite heat shield with an internal cavity, made in the form of a five-layer pipe, in which the outer and inner layers are made of copper, the middle one is made of aluminum, and the heat-insulating layers located between the copper and aluminum layers is known from aluminum-copper intermetallic compounds with a thickness of 15- 20 μm (0.015-0.02 mm), all the metal layers of the heat shield are interconnected on all surfaces of their contact by explosion welding with the subsequent formation of heat-protective intermetallic layers heat treatment. (Utility Model Patent No. 85856, IPC В32В 15/20, В23К 101/14, publ. 08/20/2009).

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 наружной и внутренней поверхности, что весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках.The disadvantage of this design is the low thermal resistance across the layers due to the small total thickness of the heat-insulating layers of intermetallic aluminum-copper systems, not exceeding 0.04 mm, low strength under compressive loads, low scale resistance and corrosion resistance of the outer and inner surfaces, which greatly limits the use of such products in chemical and power plants.

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, выполненная в виде цельносварной многослойной трубы, содержащая два медных слоя и интерметаллидные слои, при этом его наружный слой выполнен из слоистого композиционного материала (СКМ), состоящего из двух чередующихся пакетов, каждый из которых содержит слои: интерметаллид - титан - интерметаллид - медь, причем интерметаллидные слои состоят из титана и меди, толщина наружного интерметаллидного слоя равна 0,02-0,03 мм, у остальных (внутренних) интерметаллидных слоев - 0,1-0,2 мм, внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали толщиной не менее 2 мм. (Патент на полезную модель №154491, МПК В32В 15/01, В32В 15/20, В23К 101/04, В23К 20/08, опубл. 27.08.2015 - прототип).The closest in technical essence is the all-welded construction of a composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing two copper layers and intermetallic layers, while its outer layer is made of a layered composite material (SCM), consisting of two alternating packets, each of which contains layers: intermetallic - titanium - intermetallic - copper, with intermetallic layers consisting of titanium and copper, the thickness of the outer intermetallic layer equal to 0.02-0.03 mm, the rest (internal) intermetallic layers - 0.1-0.2 mm, the inner layer of the heat shield is made of austenitic corrosion-resistant steel with a thickness of at least 2 mm. (Utility Model Patent No. 154491, IPC В32В 15/01, В32В 15/20, В23К 101/04, В23К 20/08, publ. 08/27/2015 - prototype).

Недостатком данной конструкции является малая жаростойкость наружного интерметаллидного слоя, состоящего из титана и меди, в окислительных газовых средах: рабочая температура ее наружной поверхности в таких средах не превышает 500°C. Внутренний слой такого теплозащитного экрана выполнен из аустенитной коррозионностойкой стали, которая не обладает достаточной коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю поверхность теплозащитного экрана агрессивных веществ - хлоридов. Все это весьма ограничивает применение таких изделий в химических и энергетических установках, где требуется высокая жаростойкость наружной поверхности и повышенная коррозионная стойкость внутренней поверхности в агрессивных средах, включая хлориды.The disadvantage of this design is the low heat resistance of the outer intermetallic layer, consisting of titanium and copper, in oxidizing gas environments: the working temperature of its outer surface in such environments does not exceed 500 ° C. The inner layer of such a heat shield is made of austenitic corrosion-resistant steel, which does not have sufficient corrosion resistance when aggressive substances, chlorides, are passed through the inner surface of the heat shield. All this greatly limits the use of such products in chemical and power plants where a high heat resistance of the outer surface and increased corrosion resistance of the inner surface in aggressive environments, including chlorides, are required.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой пятислойной конструкции композиционного теплозащитного экрана в виде цельносварной трубы из никеля, меди, ниобия и титана с интерметаллидным слоем на наружной поверхности изделия, с более высокой, в сравнении с прототипом, жаростойкостью наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах, а также более высокой коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю поверхность предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.The task in developing this utility model is to create a new five-layer design of a composite heat shield in the form of an all-welded pipe made of nickel, copper, niobium and titanium with an intermetallic layer on the outer surface of the product, with a higher heat resistance of the outer intermetallic layer in oxidizing gas compared to the prototype environments, as well as higher corrosion resistance when passing through the inner surface of the proposed screen of aggressive substances - chlorides, with the provision of e volume of high strength with transverse compressive loads and high thermal resistance of its wall with the direction of heat transfer across the layers.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение в сравнении с прототипом в 2 раза рабочей температуры наружной поверхности изделия окислительных газовых средах, повышение коррозионной стойкости при пропускании через внутреннюю полость предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.The technical result that is achieved by the implementation of this utility model is a 2-fold increase in the working temperature of the outer surface of the product of oxidizing gas environments compared to the prototype, an increase in corrosion resistance when aggressive substances - chlorides are passed through the inner cavity of the proposed screen, while ensuring high strength at transverse compressive loads and high thermal resistance of its wall in the direction of heat transfer across the layers.

Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполненный в виде цельносварной многослойной трубы, содержащей наружный интерметаллидный слой, а также медный и титановый слои, выполнен пятислойным с чередованием слоев: интерметаллид - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, его толщина 0,05-0,07 мм, толщина никелевого слоя 1,2-1,6 мм, медного - 2-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового - 4-6 мм.The specified technical result is achieved in that the composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an external intermetallic layer, as well as copper and titanium layers, is made five-layer with alternating layers: intermetallic - nickel - copper - niobium - titanium (internal layer), and the intermetallic layer consists of aluminum and nickel, its thickness is 0.05-0.07 mm, the thickness of the nickel layer is 1.2-1.6 mm, copper - 2-4 mm, niobium - 0.8-1, 2 mm, titanium - 4-6 mm.

В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен пятислойным с чередованием слоев: интерметаллид - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, что обеспечивает ему повышение, в сравнении с прототипом, в 2 раза рабочей температуры наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах, повышение коррозионной стойкости при пропускании через внутреннюю поверхность предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов, с обеспечением при этом высокой прочности при поперечных сжимающих нагрузках и высокого термического сопротивления его стенки при направлении теплопередачи поперек слоев.In contrast to the prototype, the composite heat shield with an internal cavity is made five-layer with alternating layers: intermetallic - nickel - copper - niobium - titanium (inner layer), and the intermetallic layer consists of aluminum and nickel, which provides an increase, in comparison with the prototype, in 2 times the working temperature of the outer intermetallic layer in oxidizing gas environments, increasing corrosion resistance when passing through the inner surface of the proposed screen of aggressive substances - chlorides, provided with high strength under transverse compressive loads and high thermal resistance of its wall in the direction of heat transfer across the layers.

Наружный интерметаллидный слой композиционного теплозащитного экрана помимо повышения рабочей температуры его наружной 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 наружный интерметаллидный слой в изделиях по прототипу. Предложено толщину наружного 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.The outer intermetallic layer of the composite heat shield, in addition to increasing the working temperature of its outer surface in oxidizing gas environments, also provides it with high thermal resistance in the transverse direction of heat transfer. It is proposed that this layer be made of aluminum and nickel, since it has significantly greater heat resistance than the outer intermetallic layer in the products of the prototype. It is proposed that the thickness of the outer intermetallic layer be 0.05-0.07 mm, which provides the necessary increased heat resistance of the outer surface of the product with prolonged exposure to oxidizing gas environments. In addition, this layer, having low thermal conductivity, contributes to the formation, together with other layers, of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers. The thickness of this layer of less than 0.05 mm does not provide the required high thermal resistance, and its thickness of more than 0.07 mm is excessive, since this increases its tendency to spalling under local impact loads.

Смежный с интерметаллидным 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 его толщина более 1,6 мм является избыточной, поскольку это приводит к неоправданно большому расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.It is proposed to carry out a nickel layer adjacent to the intermetallic layer with a thickness of 1.2-1.6 mm. This layer is necessary for the formation of an external heat-resistant intermetallic layer of aluminum and nickel during heat treatment of explosion-welded multilayer workpieces containing an auxiliary thin aluminum layer. In the zone of the connection of the nickel layer with the adjacent copper layer both in the process of obtaining the product and in the process of its subsequent operation, undesirable brittle phases do not occur that reduce the durability of the product under shock and cyclic loads. In addition, this layer contributes to the formation, together with other metal layers, of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product under compressive loads. The thickness of this layer is less than 1.2 mm makes it difficult to obtain high-quality products without uncontrolled deformation during explosion welding, and its thickness more than 1.6 mm is excessive, since this leads to unreasonably high consumption of expensive nickel per one product.

Смежный с никелевым 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.The copper layer adjacent to the nickel layer is proposed to be made with a thickness of 2-4 mm. This layer helps to stabilize the temperature of the inner surface along the length of the product when exposed to concentrated heat sources on the heat shield, reduces the tendency of the outer intermetallic layer to brittle under sharp pressure drops both in the inner cavity and on the outside of the product. In addition, in the zone of connection of this layer with the nickel and niobium layers adjacent to it, both in the process of obtaining the product and in the process of its subsequent operation, undesirable brittle phases do not occur that reduce the durability of the product under shock and cyclic loads. Together with other metal layers, this layer contributes to the formation of high strength products under compressive loads. The thickness of this layer less than 2 mm makes it difficult to obtain high-quality products without uncontrolled deformation during explosion welding, and the thickness of this layer more than 4 mm is excessive, since this leads to an unjustifiably large consumption of copper per one product.

Смежный с медным 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.A layer of niobium adjacent to the copper layer is proposed to be made with a thickness of 0.8-1.2 mm. This layer, in the first place, serves as an auxiliary intermediate layer between the copper and titanium layers adjacent to it, prevents the formation of a brittle intermetallic layer between copper and titanium, which could, if it appeared in the absence of a niobium layer, reduce the durability of the product under shock conditions and cyclic loads. In addition, the niobium layer, together with other metal layers, contributes to the formation of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product under compressive loads. The thickness of this layer of less than 0.8 mm makes it difficult to obtain high-quality products without uncontrolled deformation during explosion welding, and the thickness of this layer of more than 1.2 mm is excessive, since this leads to unreasonably high consumption of expensive niobium per one product.

Смежный со слоем из ниобия внутренний титановый слой обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом, коррозионную стойкость внутренней 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. Предложено выполнять титановый слой толщиной равной 4-6 мм, что обеспечивает получение у композиционного теплозащитного экрана необходимого высокого термического сопротивления, а также высокой прочности при сжимающих нагрузках. Кроме того, такая толщина внутреннего слоя необходима для надежного соединения теплозащитного экрана, например с помощью сварки, с трубопроводами химических и энергетических установок.Adjacent to the niobium layer, the inner titanium layer provides higher, in comparison with the prototype, corrosion resistance of the inner surface of the product in aggressive environments, such as chlorides. This layer, due to the low thermal conductivity of titanium, contributes to a significant increase in the thermal resistance of the wall of the composite heat shield when the direction of heat transfer is across the layers, and, together with the copper, niobium and nickel layers, increase its strength under compressive loads. In addition, the low density of titanium contributes to a significant reduction in the mass of the resulting product. It is proposed to perform a titanium layer with a thickness of 4-6 mm, which ensures that the composite heat shield has the required high thermal resistance, as well as high strength under compressive loads. In addition, such a thickness of the inner layer is necessary for reliable connection of the heat shield, for example by welding, with pipelines of chemical and power plants.

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.The thickness of this layer less than 4 mm does not provide the heat shield with the required level of thermal resistance, as well as strength properties under compressive loads, and the thickness of this layer is more than 6 mm is excessive, because it leads to unreasonably high consumption of expensive titanium per one product.

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 интерметаллидного слоя 1, состоящего из алюминия и никеля, никелевого 2, медного 3, ниобиевого 4 и внутреннего титанового 5.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where in FIG. 1 shows the appearance of a composite heat shield with an internal cavity with a quarter cut out for clarity, and FIG. 2 - part of a longitudinal section of the pipe wall indicating the location of the layers: the outer intermetallic layer 1, consisting of aluminum and nickel, nickel 2, copper 3, niobium 4 and inner titanium 5.

Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, выполнен в виде цельносварной пятислойной трубы с чередованием слоев: интерметаллид (наружный слой) - никель - медь - ниобий - титан (внутренний слой), причем интерметаллидный слой состоит из алюминия и никеля, его толщина 0,05-0,07 мм, толщина никелевого слоя 1,2-1,6 мм, медного - 2-4 мм, ниобиевого - 0,8-1,2 мм, титанового - 4-6 мм.Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded five-layer pipe with alternating layers: intermetallic (outer layer) - nickel - copper - niobium - titanium (inner layer), and the intermetallic layer consists of aluminum and nickel, its thickness is 0.05- 0.07 mm, the thickness of the nickel layer is 1.2-1.6 mm, copper - 2-4 mm, niobium - 0.8-1.2 mm, titanium - 4-6 mm.

Жаростойкий наружный интерметаллидный слой 1 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.The heat-resistant outer intermetallic layer 1 of aluminum and nickel, in addition to a 2-fold increase, in comparison with the prototype, of the product’s working temperature in oxidizing gas environments, also provides it with high thermal resistance in the transverse direction of heat transfer.

Смежный с интерметаллидным слоем слой из никеля 2 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.A layer of nickel 2 adjacent to the intermetallic layer is necessary for the formation of an external heat-resistant intermetallic layer of aluminum and nickel during heat treatment of explosion-welded multilayer workpieces. When welding by explosion of nickel with copper, as well as during subsequent operation of the product, there are no undesirable brittle phases that reduce the durability of the product under shock and cyclic loads. In addition, this layer contributes to the formation, together with other metal layers, of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product under compressive loads.

Смежный с никелевым слоем медный слой 3 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.The copper layer 3 adjacent to the nickel layer helps to stabilize the temperature of the inner surface along the length of the product when exposed to concentrated heat sources from the outside of the heat shield, reduces the tendency of the external intermetallic layer to brittle under sharp pressure drops both in the internal cavity and on the outside of the product. In addition, in the zone of connection of this layer with the nickel and niobium layers adjacent to it, both in the process of obtaining the product and in the process of its subsequent operation, undesirable brittle phases do not occur that reduce the durability of the product under shock and cyclic loads. Together with other metal layers, this layer contributes to the formation of high product strength under compressive loads.

Смежный с медным слоем слой из ниобия 4 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.The niobium 4 layer adjacent to the copper layer functions as an auxiliary intermediate layer between the copper and titanium layers adjacent to it, prevents the occurrence of brittle intermetallic phases in the junction zones, which reduce the service properties of the product under shock and cyclic loads. In addition, the niobium layer, together with other metal layers, contributes to the formation of high thermal resistance of the wall of the heat shield in the direction of heat transfer across the layers, as well as high strength of the product under compressive loads.

Смежный со слоем из ниобия внутренний титановый слой 5 обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом, коррозионную стойкость внутренней 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.Adjacent to the niobium layer, the inner titanium layer 5 provides higher, in comparison with the prototype, corrosion resistance of the inner surface of the product in aggressive environments, such as chlorides. This layer, due to the low thermal conductivity of titanium, contributes to a significant increase in the thermal resistance of the wall of the composite heat shield when the direction of heat transfer is across the layers, and, together with the copper, niobium and nickel layers, increase its strength under compressive loads. In addition, the low density of titanium contributes to a significant reduction in the mass of the resulting product.

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. Наружный интерметаллидный слой из алюминия и никеля обеспечивает более высокую, в сравнении с прототипом жаростойкость наружной поверхности теплозащитного экрана в условиях окислительных газовых сред, а внутренний титановый слой - высокую коррозионную стойкость его внутренней поверхности, например, в хлоридах.The operation of the composite heat shield with an internal cavity is as follows. From two end sides of the product, metal pipelines are welded to the inner titanium layer, for example, by argon-arc welding, for passing liquids or coolant gases through the internal cavity. Limited heat transfer of these substances with the environment is carried out through a five-layer wall of the heat shield, which has increased thermal resistance and increased strength under compressive loads. The outer intermetallic layer of aluminum and nickel provides higher, in comparison with the prototype, heat resistance of the outer surface of the heat shield in the conditions of oxidizing gas environments, and the inner titanium layer provides high corrosion resistance of its inner surface, for example, in chlorides.

Пример исполнения 1.Execution example 1.

В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью использовали никель марки НП1, медь марки M1, ниобий марки ВН2, титан марки ВТ1-00. При получении изделия для формирования интерметаллидного слоя использовали также вспомогательный слой из алюминия марки АД1.Nickel grade NP1, copper grade M1, niobium grade BH2, titanium grade VT1-00 were used as starting materials for the manufacture of a composite heat shield with an internal cavity. Upon receipt of the product for the formation of the intermetallic layer also used an auxiliary layer of aluminum grade AD1.

Данный экран изготовлен в виде цельносварной пятислойной трубы длиной 250 мм, ее наружный диаметр D_н=96,1 мм, внутренний - D_в=80 мм.This screen is made in the form of an all-welded five-layer pipe with a length of 250 mm, its outer diameter D _n = 96.1 mm, internal - D _in = 80 mm.

Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана, состоящий из алюминия и никеля, имеет толщину 0,05 мм, толщина смежного с ним никелевого слоя - 1,2 мм, смежного с никелевым медного слоя - 2 мм, смежного с медным ниобиевого слоя - 0,8 мм, смежного с ним внутреннего титанового слоя - 4 мм.The outer intermetallic layer of the heat shield, consisting of aluminum and nickel, has a thickness of 0.05 mm, the thickness of the adjacent nickel layer is 1.2 mm, the thickness of the adjacent nickel copper layer is 2 mm, the thickness of the adjacent niobium layer is 0.8 mm of the inner titanium layer adjacent to it - 4 mm.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2 раза большей рабочей температурой наружного интерметаллидного слоя в окислительных газовых средах (у предлагаемой конструкции - 1000°C, у изделий по прототипу - 500°C), более высокой коррозионной стойкостью при пропускании через внутреннюю полость предлагаемого экрана агрессивных веществ - хлоридов и в 1,5-2,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has a 2 times higher working temperature of the outer intermetallic layer in oxidizing gas environments (1000 ° C for the proposed design, 500 ° C for the prototype products), higher resistance when passing through the internal cavity of the proposed screen of aggressive substances - chlorides and 1.5-2.4 times greater strength under transverse compressive loads.

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 1,4 раза больше, чем у изделия по прототипу, описанного в примере 1.The thermal resistance of the wall of the composite heat shield R _e is equal to the sum of the thermal resistances of all layers included in its composition, and is calculated for each layer as the ratio of its thickness to the coefficient of thermal conductivity. In this example, R _e = 28 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 1.4 times more than the product of the prototype described in example 1.

Пример исполнения 2.Execution example 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=110,9 мм, внутренний - D_в=90 мм.The same as in example 1, but the following changes. The outer diameter of the composite heat shield with an internal cavity D _n = 110.9 mm, inner - D _in = 90 mm.

Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана имеет толщину 0,06 мм, толщина никелевого слоя - 1,4 мм, медного - 3 мм, ниобиевого - 1 мм, внутреннего титанового - 5 мм.The outer intermetallic layer of the heat shield has a thickness of 0.06 mm, the thickness of the nickel layer is 1.4 mm, the copper layer is 3 mm, the niobium layer is 1 mm, and the inner titanium layer is 5 mm.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2,1-3,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has 2.1-3.4 times greater strength under transverse compressive loads.

Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э=35·10^-5 К/(Вт/м²), что в 1,75 раза больше, чем у изделия по прототипу, описанного в примере 1, и примерно такое же, как в примере 2 у изделия по прототипу.The thermal resistance of the wall of the composite heat shield R _e = 35 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 1.75 times more than the product of the prototype described in example 1, and about the same as in the example 2 for the product according to the prototype.

Пример исполнения 3.Execution example 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью D_н=125,7 мм, внутренний - D_в=100 мм.The same as in example 1, but the following changes. The outer diameter of the composite heat shield with an internal cavity D _n = 125.7 mm, inner - D _in = 100 mm

Наружный интерметаллидный слой теплозащитного экрана имеет толщину 0,07 мм, толщина никелевого слоя - 1,6 мм, медного - 4 мм, ниобиевого - 1,2 мм, внутреннего титанового - 6 мм.The outer intermetallic layer of the heat shield has a thickness of 0.07 mm, the nickel layer is 1.6 mm thick, the copper layer is 4 mm thick, the niobium layer is 1.2 mm thick, and the inner titanium layer is 6 mm thick.

Полученный композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью, в сравнении с прототипом, обладает, в 2,8-4,4 раза большей прочностью при поперечных сжимающих нагрузках.The resulting composite heat shield with an internal cavity, in comparison with the prototype, has a 2.8-4.4 times greater strength under transverse compressive loads.

Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R_э=42·10^-5 K/(Вт/м²), что в 2,1 раза больше, чем у изделия по прототипу (см. пример 1) и примерно такое же, как по примеру 3 у изделия по прототипу.The thermal resistance of the wall of the composite heat shield R _e = 42 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), which is 2.1 times greater than that of the product of the prototype (see example 1) and approximately the same as in the example 3 for the product according to the prototype.

Claims

Composite heat shield with an internal cavity, made in the form of an all-welded multilayer pipe containing an external intermetallic layer, as well as copper and titanium layers, characterized in that it is made five-layer with alternating layers: intermetallic - nickel - copper - niobium - titanium (inner layer) moreover, the intermetallic layer consists of aluminum and nickel, its thickness is 0.05-0.07 mm, the thickness of the nickel layer is 1.2-1.6 mm, the copper layer is 2-4 mm, the niobium layer is 0.8-1.2 mm titanium - 4-6 mm.