книги из ГПНТБ / Райков Л.Г. Нагрев летательных аппаратов в полете

в структуре металла в результате воздействия высоких температур.

Вместе с ростом величины газовой коррозии при повы­ шенных температурах увеличивается так называемая элек­ трохимическая коррозия металлов, .связанная с разруше­ нием материала вследствие образования гальванической пары двух металлов с разной высотой потенциалов.

В условиях действия высоких температур подбор ме­ таллов по гальваническому ряду еще сам по себе не устраняет потенциальной опасности электрохимической коррозии. Необходимую гарантию от появления такого вида коррозии в металлах дает лишь тщательное исследо­ вание выбранных материалов, соединенных в реальную конструкцию, в естественных окружающих условиях.

На металлы летательных аппаратов сверхзвуковых скоростей вредное воздействие оказывает кислород возду­ ха, который с увеличением температуры начинает интен­ сивно диффундировать даже через защитный слой (оксид­ ную пленку) в металл, окисляя его. Скорость окисления особенно быстро возрастает в атмосфере ионизированного воздуха, что характерно для момента входа ракетных ап­ паратов в земную атмосферу. Увеличение скорости окисле­ ния связано с увеличением активности воздуха, молекулы которого диссоциированы на заряженные частицы. Эти ча­ стицы стремятся рекомбинировать в более устойчивые мо­ лекулы на поверхности металла. Переносу частиц способ­ ствует возникающая атмосфера ионов. При рекомбинации выделяется тепло, что в свою очередь повышает темпера­ туру на поверхности металла и, следовательно, увеличи­ вает скорость окисления. В атмосфере диссоциированного воздуха металлы окисляются примерно в 400 раз быстрее, чем в воздухе обычного состава.

Теплофизические свойства материалов при повышенных температурах

С увеличением температуры изменяются не только ме­ ханические, но и теплофизические свойства материалов, такие, как термическое расширение, теплопроводность, удельная теплоемкость и др.

Термическое расширение, или, как обычно говорят, ко­ эффициент линейного расширения металлов, с повышением температуры увеличивается.

Если изменение коэффициента линейного расширения тесно связано с возникающими в теле температурными на-

40

вается коэффициент излучения, характеризующий луче­ испускательную способность тела.

Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию непрерывно. Изменение интенсивно­ сти излучения тел от температуры устанавливается опыт­ ным путем. Однако поскольку ' общая энергия излучения тела пропорциональна четвертой степени абсолютной тем­ пературы! (закон Стефана — Больцмана), то тепловой по­ ток излучения достигает достаточной величины только при высоких температурах. В связи с этим и коэффициент из­ лучения различных металлов определяется лишь в услови­ ях повышенных температур. С увеличением температуры' эта величина растет.

Новые термопрочные металлы

Как указывалось выше, переход к жаропрочным мате­ риалам вызывает значительное увеличение веса конструк­ ции. В связи с этим в настоящее время весьма актуальной задачей является отыскание и создание новых материалов, имеющих незначительный вес и в то же время сохраняю­ щих высокие механические свойства при повышенных тем­ пературах.

Новые алюминиевые сплавы, находящиеся в стадии разработки, по мнению американских специалистов, пред­ положительно будут иметь прочностные свойства при тем­ пературе 315° С приблизительно на 35% выше прочностных свойств алюминиевых сплавов, применяющихся в настоя­ щее время. Повышение теплостойкости алюминиевых спла­ вов достигается легированием алюминия литием. Такие легированные алюминиевые сплавы предполагают исполь­ зовать до температур 260° С.

Другим легким металлом, имеющим приемлемое отно­ шение прочности к весу, является магний. Он обладает та­ кой же чувствительностью к надрезам, как и алюминий, но его свойства в отношении усталости несколько лучше.

Последние достижения в разработке сплавов магния с редкоземельными элементами, в частности с цирконием, дают хорошие прочностные характеристики до темпера­

42

ляемым к материалам конструкции, отвечает титан. Меха­ нические свойства титана и его сплавов изучены пока не­ достаточно, но на основании полученных данных уже можно предположить, что указанные температурные пре­ делы применения титана будут расширены. Вполне воз­ можно, что в конструкциях летательных аппаратов титан заменит не только алюминиевые сплавы, но и нержавею­ щие стали.

Основные преимущества титана как конструкционного материала заключаются в следующем:

—до температуры приблизительно 315° С титан имеет наибольшее по сравнению с другими металлами отноше­ ние прочности к весу;

—практически титан не поддается коррозии и эрозии

всреде морского воздуха;

—для обработки титана могут быть применены обыч­ ные технологические процессы, общепринятые методы и стандартное оборудование.

К недостаткам титана относятся:

— высокая стоимость сырья; ■— трудность быстрой обработки;

—трудность получения сварных швов достаточной пластичности;

—непостоянство физических свойств.

Остановимся коротко на свойствах титана. Температу­ ра плавления лежит в диапазоне 1400—1720° С в зависи­ мости от легирующих добавок. По этим же причинам удельный вес титана колеблется от 4400 до 4700 кг/м3, а твердость по Бринелю равна 190—270 кг/мм2. Упрочнение поверхности титана до твердости, примерно соответствую­ щей твердости азотированной стали, легко достигается не­

упругости стали. Холодная обработка титана изменяет ве­ личину его модуля упругости от 5 до 15% в зависимости от температуры. Титан очень хорошо сопротивляется дейст­ вию ударных нагрузок до температур 315—420° С и не очень чувствителен к надрезу. С понижением температуры титан обнаруживает плавное изменение свойств при пере­ ходе от пластичности к хрупкости.

Как технически чистый титан, так и его сплавы хорошо поддаются холодной обработке. Однако нагартовка титана приводит к падению пластичности.

43

Ковка титана, а также его сплавов может выполняться обычными способами, хотя для этого и требуются более мощные и тяжелые штамповочные прессы. Титановые ли­ сты подвергаются гибке, выдавливанию, волочению, реза­ нию, вытяжке, штамповке и другим видам обработки. Луч­ шие результаты получаются, если обработка ведется при температуре 260—650° С.

Титан может свариваться, но так как в этих условиях он активно взаимодействует с кислородом, азотом и водо­ родом, то дуговую сварку титана необходимо вести только в атмосфере защитных газов. Листы титана легко соеди­ няются самыми разными методами: посредством точечной сварки, сварки целым сварным швом, применяется также сварка плавлением в стык. Вполне возможна пайка титана

спомощью мягкого или твердого припоя.

Впоследнее время используют отливку мелких титано­ вых деталей в постоянные формы.

Для клепки деталей из титана обычно применяют за­ клепки из нержавеющей стали. Заклепок из титана все еще не удалось разработать.

В настоящее время имеется много видов стали, пер-' спективных для использования при повышенных темпера­ турах. Температурный предел их работы составляет при­ близительно 650° С. К таким сталям относятся мартенсит­ ные нержавеющие стали, низколегированные стали, аусте­ нитно-мартенситные стали, холоднокатаные аустенитные нержавеющие стали.

Весьма перспективным для использования в диапазоне

вдвое выше, чем алюминия, а модуль упругости пре­ восходит модуль упругости нержавеющей стали. Коэф­

мерно 130 ккал/м ■час • ° С.

Перечисленные характеристики бериллия в сочетании с его высокой температурой плавления делают этот металл хорошим теплопоглотителем, что может быть использова­ но для решения задачи возвращения гиперзвуковых лета­ тельных аппаратов в плотные слои атмосфер'ы.

Существенным недостатком бериллия является его чув­ ствительность к концентрации напряжений и хрупкость, увеличивающаяся под влиянием различных примесей.

44

Кроме того, бериллий токсичен и-может вызвать острые легочные и кожные заболевания.

При более высоких температурах (Т > 800° С) широкое применение найдут кобальтовые и никелевые сплавы. Их

весьма перспективен молибден. Молибден, обладающий большой жаропрочностью, может применяться либо в чи­ стом виде, либо в сплавах, в которых он является основ­ ным компонентом. Плавить и отливать молибден обычными методами нельзя. Используя электродуговую плавку, хими­ чески чистый молибденовый порошок можно спечь в бол­ ванки, удобные для обработки и получения нужных форм.

раза больше, чем у стали. Эти положительные свойства молибдена позволяют ему сравнительно легко переносить тепловой удар.

Молибден имеет высокий модуль упругости, что делает его пригодным для использования в тех случаях, когда ос­ новным требованием является жесткость.

При комнатной температуре молибден обладает сравни­ тельно хорошей пластичностью, увеличивающейся с ростом температуры. Прочность молибдена при ползучести выше прочности других чистых металлов, применяемых в жаро­ прочных соединениях. Основной недостаток молибдена — быстрое окисление. Для устранения этого явления приме­ няют защитные покрытия в виде плакирования и различ­ ных керамик.

Механическую обработку молибдена производят в ос­ новном обычными способами. Однако такие процессы, как резание, изгибание, отбортовка, волочение и высадка, вы­ полняются при повышенной температуре (примерно 200°С) всего материала во избежание появления трещин. Листы

45

малой толщиньи прокатывают при температуре примерно 150° С, большой толщины — при температуре около 500° С.

Детали, изготовленные из молибдена, можно соединять молибденовыми заклепками или при помощи пайки мед­ ными и серебряными припоями. Для пайки деталей из молибдена, предназначенных для работы в условиях высо­ ких температур, в качестве припоя применяется танталовая фольга, причем ВО' избежание окисления тантала -пайку вы­ полняют под водой. Для пайки деталей из молибдена, пред­ назначенных для работы до температур 1100° С, исполь­ зуют сплав никеля с хромом и с 2—3% бора. Молибден легко сваривается. Однако в местах сварки металл обычно получается хрупким, поэтому при штамповке эти места усиливают.

При еще более высоких температурах конструкции воз­ можно использование тантала, вольфрама.

Термостойкие неметаллические материалы

В настоящее время наряду с созданием термостойких материалов из металлов и сплавов, выдерживающих боль­ шие температурные нагрузки и сохраняющих при этом не­ обходимые механические свойства, проводятся широкие работы по получению новых термостойких органических материалов.

Поскольку за последнее время широкое распростране­ ние получают клееные конструкции, то большое внимание уделяется разработке нитрилфеноловых клеев. Эти клеи, как и силиконовые склеивающие вещества, могут работать до температур 260° С. Разрабатываемые керамические клеи способны выдерживать температуры до 400° С.

Для уплотнения соединений конструкций летательных аппаратов широко используются различные сорта полиуре­ тановой резины, стойкие до температур около 200° С.

Большие работы ведутся в области получения термо­ стойких стекол. В условиях высоких температур приходит­ ся отказываться от органических стекол и переходить к си­ ликатным, способным выдерживать высокую тепловую на­ грузку. Так, стеклокерамические изделия как прозрачный материал можно использовать до температуры примерно

1000° С.

Хорошим материалом для некоторых частей конструк­ ции являются также пластики, используемые обычно в форме слоистых заполнителей. Здесь слои материалов

46

стекловолокна спрессовываются с жаропрочной смолой. Такие пластики • образуют заготовки, обладающие требуе­ мыми механическими свойствами.

В настоящее время слоистые пластики выпускаются нескольких видов. Они состоят из стеклянного волокна и фенольной смолы с достаточно высоким отношением проч­ ности к весу и с температурным диапазоном до 250° С. Ли­ сты из таких пластиков поддаются формовке и соединению в сложные конструктивные узлы.

Одним из основных ограничений применения деталей, изготовленных из пластиков и подвергаемых воздействию воздушного потока, является склонность их к расслаива­ нию в результате эрозии в динамическом потоке воздуха. По жесткости при равных весах волокнистые фенольные пластики сравнимы' с титаном и нержавеющей сталью.

Материалы из пластиков удобны в эксплуатации и име­ ют высокую сопротивляемость действию масел, применяе­ мых в гидравлических системах, электролитов аккумуля­ торных батарей, соленой воды и вообще влаги.

В условиях высоких температур находят широкое при­ менение фтороорганические соединения (например, теф­ лон), обладающие большой стойкостью против действия сильных кислот и щелочей, а также влаги, различных ат­ мосферных осадков, бактерий и света.

Тефлон хорошо выдерживает нагрузки примерно до температуры 325° С. С повышением температуры структу­ ра тёфлона начинает изменяться, и при температуре около 400° С он начинает разлагаться. Тефлон сохраняет гиб­

Тефлон можно использовать для изготовления гермети­ ческих уплотнений или газонепроницаемых изоляторов, таккак он является уплотнителем и идеальным изолятором электропроводов в широком диапазоне рабочих температур и сохраняет эти свойства при резких толчках и вибрациях.

Кроме перечисленных материалов, в настоящее время находят широкое использование силиконовые слоистые пластмассы, а также пластмассы, армированные стеклово­ локном. Пластмассы, усиленные металлическими волокна­ ми, способны хорошо выдерживать температуру до 1500° С.

47

Г л а в а 3

ОСОБЕННОСТИ ПРОЧНОСТИ к о н с т ру к ц и й ПРИ ПОВЫШЕННЫХ тем п ера ту ра х

Общие замечания

При расчетах конструкций сверхзвуковых летательных аппаратов «а прочность прежде всего учитывают сниже­ ние механических свойств материалов под влиянием высо­ ких температур и те особенности, которые присущи кон­ струкциям, работающим в этих условиях. Эти особенности связаны с появлением температурных перепадов (гради­ ентов) в элементах конструкции, вызывающих температур­ ные напряжения.

Перепад температур в конструкции планера летатель­ ного аппарата возникает, например, при полете с ускоре­ нием, когда в результате более быстрого нагрева наруж­ ных частей, находящихся в непосредственном контакте с источником тепла, в них возникают сжимающие напряже­ ния. Это объясняется тем, что внутренние, менее нагретые части препятствуют свободному расширению внешних ча­ стей. По этой же причине возникают температурные на­ пряжения в местах контакта обшивки с подкрепляющими ребрами, лонжеронами и т. п.

Если соединяются детали из разных материалов, име­ ющих различный коэффициент линейного расширения, температурные напряжения появляются даже при нагреве до одинаковой температуры.

Совместные действия внешних нагрузок, температур­ ных напряжений и изменения механических свойств метал­ лов при высоких температурах приводят к изменению кон­ струкции в прочностном отношении. Кроме того, длитель­ ное действие повышенных температур в элементах кон­

49