строение (557054), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Цирконий (Ег) — металл 1Ч' группы с достаточно высокой температурой плавления (1852 'С), умеренной плотностью (6530 кгlм'). Имеет две аллотропические модификации: Уг„— с решеткой П2 и Угз — с решеткой К8. Температура полиморфного превращения а чь р равна 862 'С. Цирконий достаточно распространенный металл. Содержание его в земной коре выше, чем таких металлов, как Сг, Ч, Еп, М и Сп.
Механические свойства циркония существенно зависят от содержания в нем примесей и, следовательно, от способа получения металла. Значения прочности и модуля упругости наиболее чистого — иодидного циркония (( 0,06... 0,07.% примесей) невысоки: о, = 175 МПа, Е = 96,3 ГПа при высокой пластичности 6 = 50 %. Технически чистый цирконий (например, индукционной плавки) намного прочнее: о', = 400 ... 600 МПа, Е = = 110,0 ГПа, но менее пластичен (6 = 20 ... 30 %).
Дополнительно упрочняется нагартовкой, но упрочнение полностью исчезает уже при 400 ... 450 'С вследствие низкой Гс циркония. Иодидный цирконий допускает значительные пластические деформации ковкой; штамповкой„ прокаткой, протяжкой, хорошо обрабатывается резанием, поддается точечной сварке.
По своим технологическим свойствам близок к меди. Обрабатываемость цнркония значительно ухудшается в присутствии примесей. Из циркония и его сплавов получают листы, трубы, профили, прутки, проволоку. Цирконий способен растворить значительные количества газов (( 7 % Ом ( 5 % Нм < 0,07 % Н,), образуя твердые растворы внедрения. Благодаря этой способности цирконий и его сплавы обладают хорошими геттерными свойствамн и используются в качестве геттерных материалов, например, в электровакуумных авиационных приборах для поддержания постоянного вакуума. С азотом до 400... 500 'С реагирует медленно, а выше 800...
900 'С взаимодействие настолько усиливается, что на поверх- 328 ности образуются нитрнды. При 300 ... 1000 'С цирконий интенсивно поглощает водород, образуя гидриды, но в отличие от кислорода и азота, водород при продолжительном нагреве в вакууме выше 1000 'С можно полностью удалить из циркония. Благодаря большому электродно. му потенциалу Хг и его сплавы способны пассивироваться на воздухе и во многих агрессивных средах с образованием защитной пленки ХгО„ повышающей коррозионную стойкость материалов. Цирконий коррознонностоек в растворах щелочей, многих кислот (в том числе НС1 и НЫО,), в морской и чистой воде, водяном паре. При повышении температуры и давления в воде, особенно морской, начинает корродировать.
Стоек в жидком натрии, в том числе при нагреве до 500 'С. Однако коррознонная стойкость цнрконня из-за влияния загрязнений весьма нестабильна. Примеси, особенно 51 и С, сильно ухудшают сопротивление коррозии, присутствуя уже в небольших количествах (сотые доли %), из-за ухудшения защитных свойств пленки ЕгО,. Чтобы предотвратить загрязнение цирконня и его сплавов элементами внедрения все процессы обработки и изготовления деталей проводят в инертной среде нли в вакууме. Более глубокая очистка является очень трудной задачей. Экспериментальным путем установлено, что такие легирующие добавки как тсЬ, Яп, Сг, %, Ре частично нейтрализуют вредное влияние загрязнений, повышая при этом прочностные характеристики и не ухудшая ядерных свойств.
Химический состав и механические свойства некоторых сплавов циркония, разработанных для ядерной энергетики, приведены в табл. 39. Применяемые на практике сплавы циркония часто работают в среде водяного пара (водоохлаждаемые атомные реакторы) или диоксида углерода (атомные реакторы, охлаждаемые СО,). Сплавы, предназначенные для работы в среде водяного пара содержат олово (так называемые циркаллойи), в то время как для работы в среде СО, применяют циркониевые сплавы, легированные медью либо ванадием (до 5 36).
Сплавы типа циркаллой перспективны также для использования в качестве материала оболочек и трубопроводов, работающих в воде, водяных парах под давлением. По коррозионной стойкости сплавы циркаллой не уступают химически чистому цирконию, хорошо обрабатываются давлением и свариваются.
С помощью нагартовки можно повысить прочность до 600 МПа (пластичность при этом снижается до 8 %), но упрочнение полностью снимается при нагреве > 425 'С. В самолетных и ракетных конструкциях цирконий и его сплавы используют для изготовления крепежных деталей, так как они имеют достаточную прочность и коррозионную стойкость и могут применяться при повышенных (до 500... 600 'С) температурах без защитных покрытий.
Наряду с бериллием, цирконий и его сплавы используют для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) в реакгорах на тепловых нейтронах с температурой в рабочей зоне 400... 600 'С и для трубок теплоносителей. й 5. Теплозащитные композиционные материалы с полимерной матрицей Поверхности многих ЛА и двигателей подвергаются кратковременному, но чрезвычайно интенсивному тепловому воздействию. Температура в пограничном слое при сверхзвуковой скорости обтекания поверхности достигает 3000... 5000 'С, а в отдельных случаях и значительно большего уровня.
В указанных условиях даже жаропрочные сплавы (имеющие высокую теплопроводность 50... 300 Вт (м К) быстро прогреваются, оплавляются и прогорают. Одним из способов снижения поверхностной температуры несущих обшивок является их защита абляционными * покрытиями. Абляционные теплозащитные покрытия (ТЗП) часто представляют собой полимерные композиции, армированные стеклянными и кварцевыми волокнами, наполненные дисперсными порошками керамики и некоторых специальных веществ. Механизмы абляциопного разрушения ТЗП можно разделить на две группы. К первой относят механизмы, создающие эндотермические эффекты: пиролиз полимерного связующего, вторичные реакции угле- рода с силикатами наполнителя и связующего, плавление, испарение и сублимация наполнителей и пиролизованного коксового остатка связующего *.
При этом происходит поглощение, рассеивание и отвод значительной части тепловой энергии в поверхностной зоне, и снижение тепловых потоков к внутренним слоям покрытия и несущей конструкции, Ко второй группе относятся разрушение и унос частиц — эрозия материала вследствие механического воздействия набегающего газового потока. Это явление нежелательное, так как ускоряется расход материала и снижается эффективность теплозащиты. Количественно абляциониые свойства материалов при заданных условиях оцениваются по показателю линейного уноса, по убыли массы и по эффективной теплоте абляции (энтальпийности), позволяющей сравнивать необходимую массу теплозащитных покрытий, различного типа.
При стационарном режиме абляции по толщине ТЗП вследствие его низкой теплопроводности возникает большой перепад температуры. Наружные слои покрытия начинают интенсивно разрушаться. В аблирующем ТЗП можно выделить три зоны, которые в различной степени подвержены температурному воздействию и характеризуются протеканием различных физико-химических процессов. Поверхностная зона, соприкасающаяся с газовым потоком, имеет толщину нескольких миллиметров. Она состоит из пористого коксового остатка связующего, армированного волокнистым наполнителем. На поверхности этой зоны образуется тонкая пленка и капли расплавленного силикатного наполнителя, сдуваемые потоком. Частично расплав испаряется. Коксовый остаток, состоящий в основном из углерода постепенно газифицируется с поверхности.
На эти эндотермические процессы затрачивается огромное количество тепловой энергии. В расплаве могут идти также эндотермические реакции соединения силикатов с углеродом. Возникшие при этом частицы карбидов замедляют механический унос. Через поверхностную зону в пограничный слой потока вдуваются газообразные продукты пиролиза, создавая дополнительную теплоизоляционную прослойку.
Кокс, имеющий высокую степень черноты, излучает тепловую энергию в окружающую среду. Поэтому поверхностная зона ТЗП резко уменьшает тепловые потоки во вторую защитную зону. Температура на поверхности ТЗП (1600... 2200 'С) определяется самоустанавливающимся процессом газификации, но не может быть выше температуры сублимации графита (3500 'С). Она зависит от параметров теплового потока на поверхность, скорости и давления в пограничном слое, содержания углерода в коксовом остатке, свойств наполнителя, количества выделяющихся газов и других факторов. * Абляцяей называют разрушеиие и постепенный унос материала при его взаимодействии с высакоэятальпианым высокотемпературяым скоростным газовым потоком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
