Техника - молодёжи 1955-04, страница 8

В мире температур

и

Лауреат Сталинской премии инженер К. ГЛАДКОВ

Рис. А. ЛЕБЕДЕВА

(Окончание)

D распоряжении ученых и инжене-® ров имеется немало способов получать весьма высокие температуры, однако широко использовать энергию этого тепла в промышленности и в технике пока невозможно из-за отсутствия материалов, способных выдерживать эти температуры.

Каким же требованиям должны удовлетворять материалы, используемые для работы при высоких температурах?

Прежде всего они должны иметь высокую точку плавления. Однако из 92 элементов, встречающихся в природе, не более 20 имеют точку плавления выше 1600°С. Но мы можем создавать большое число химических соединений: оксидов, карбидов и других, имеющих более высокие точки плавления. Материалы, кроме того, должны сохранять требуемую прочность при самых высоких рабочих температурах. Однако у подавляющего большинства металлов она уменьшается, начиная даже с комнатных температур, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее. И, наконец, при высоких температурах материалы должны быть химически инертными, то-есть не вступать ни в какие химические реакции с паром или газом, с которыми они соприкасаются во время работы и которые, как правило, высоко коррозийны.

Металлурги непрерывно создают новые особо прочные и высокотемпературные сплавы. И как только появляется лучшая марка стеши, ин-женеры-конструкторы тотчас же поднимают температуру пара Или газа и его давление в своих конструкциях и требуют создания еще более высокотемпературных сплавов.

Выдающиеся успехи в этой области были достигнуты после того, как основой современной ' скоростной авиации стал реактивный двигатель. Меньше чем за пять лет рабочие температуры металлов в газовой турбине возросли с 650 до 800°С и выше. Для этого были разработаны сплавы на основе железа, кобальта, никеля и хрома, включающие небольшие присадки молибдена, вольфрама и ниобия. Дальнейшее увеличение рабочих температур газовых турбин шло относительно медленно. Видимо, для этих сплавов температура 980—990°С уже является пределом.

Единственными металлами, обладающими высокой точкой плавления, которые можно получать в относительно больших количествах,

С>

являются молибден, вольфрам, тантал и ниобий. Из них молибден наиболее распространен в природе и сравнительно дешев. К сожалению, молибден, так же как и другие металлы с весьма высокой точкой плавления, исключительно подвержен окислению при высоких температурах.

Образующаяся на поверхности молибдена пленка окиси при высокой температуре улетучивается, после чего окисление металла растет уже катастрофически быстро. Этого можно избежать, если, например, покрыть молибден слоем инертных к кислороду огнеупорных материалов. Много надежд возлагается на титан. Устойчивость титана против коррозии высока. Однако при высоких температурах в атмосфере кислорода и азота он также быстро корродирует.

В пределах температур от 200 до 600°С преимущества титана и его сплавов особенно существенны, так как в отличие от других металлов его механическая прочность практически не уменьшается. В авиации он, видимо, будет использован для преодоления «теплового барьера» — нагревания корпуса самолета, происходящего при полетах на скоростях, близких к звуковым, когда алюминий уже становится не пригоден.

Большие надежды возлагаются сейчас на керамические (не металлические) материалы. В них металлы химически соединены с другими эле--ментами: азотом (нитриды), кислородом (оксиды), углеродом (карбиды), бором (бориды) и др. Металлы пластичны, а керамика хрупка. Зато у керамики весьма высокая точка плавления.

За последние десять лет разработан ряд таких материалов. Тигли из них для плавки различных металлов могут выдерживать и весьма высокие температуры: например, карбид гафния плавится при 3980°С, карбид циркония — 3540°С, окись тория — 3300°С, карбид титана — 3140°С, борид циркония — 3060°С, нитрид бора — 3000°С и т. д.

О

Сопло ракетного двигателя, сделанное целиком us керамического материала, выдерживающего температуру 2500°С.

Керамическое покрытие us окиси хрома (верхний слой), нанесенное на молибден для защиты его от коррозии при высоких температурах.

Керамические оксидные материалы полностью устраняют проблему окисления, которая присуща металлам, но они хрупки и весьма чувствительны к резким изменениям температуры. Технология их производства вносит ряд ограничений в размеры и форму изготавливаемых деталей. Керамические карбиды, нитриды и бориды, обладая сравнительно хорошими механическими свойствами, однако, склонны к окислению. И здесь, видимо, предстоит найти некий компромисс между высокой механической прочностью и недостаточной химической стойкостью этих материалов в сильно окисляющей атмосфере.

Этот компромисс может быть найден в так называемых металлокера-мических материалах, приготовляемых из смеси керамических и металлических порошков. После прессования и спекания этот материал имеет как бы тонкую металлическую арматуру, заполненную мельчайшими частицами окислов, карбидов или других химических соединений. Типичным примером здесь является алюминат — смесь окиси алюминия и хрома. Первая чрезвычайно устойчива в кислороде при высоких температурах, но хрупка. Хром же самый коррозиоустой-чивый металл. Хром вносит в состав значительную долю механической прочности, которой не хватает чистым алюминатам.

Известно, что материалы, подверженные действию даже очень горячих газов, если их достаточно энергично охлаждать, будут нагреваться только до весьма умеренных температур.

За последнее время находит применение способ, известный как «охлаждение через пористые стенки». Охлаждающая жидкость или газ, вместо того чтобы циркулировать вокруг камер горения, просачивается сквозь их пористые стенки, создавая на поверхности, подверженной действию высоких температур, непрерывно восстанавливаемую тонкую пленку, которая, испаряясь, охлаждает стенки камеры.

ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДВИГАТЕЛЯХ

Высокий термодинамический коэффициент полезного действия в реактивных двигателях создается за счет повышения разности' между температурой горения рабочей смеси и температурой выхлопных газов. И хотя у них он выше, чем у других видов двигателей, в целом, однако-, он еще недостаточно высок (ниже

-.ШШШ-