7.6.3. Действие горячих газов на вольфрам

Было показано, что водород и азот до 3000⁰С (3273К) с вольфрамом не реагируют. Оксид алюминия, который имеется в продуктах сгорания

твердого топлива, способствует повышению уноса, хотя и незначительно.

Соляная кислота HCl почти не реагирует с вольфрамом. Но HCl+AL₂O₃вместе оказывают сильное эрозионное воздействие на вольфрам, а в присутствии CO₂эрозия возрастает еще в 2,5 раза.

Скорость эрозии в присутствии водяного пара возрастает с повышением его давления по реакции:

Присутствие CO₂ в водяном паре способствует повышению эрозии примерно на 20%. Окись углерода COпри температуре 2500⁰С (2773 К) образует карбиды, которые имеют температуру плавления ниже 3000⁰С, предполагается образование еще более легкоплавкой фазы, очевидно, эвтектики W+W₂C.

Проплавы на испытуемых образцах наблюдались при температуре 3150⁰С. Это очень опасно при работе РДТТ на смесевых топливах.

При испытании отечественных двигателей градиент температуры составляет примерно 1000 град/с на второй секунде испытаний и на поверхности образца, а на глубине 7мм в это же время - 300град/с. По мнению члена-корреспондента АН СССР Е. М. Савицкого, главную роль при работе вольфрамовых вкладышей критического сечения играет термостойкость. С введением присадок в вольфрам в виде трудно испаряющихся оксидовAl₂O₃, SiO₂, ThO₂ и других, температура начала рекристаллизации повышается, а скорость ее замедляется.

Воздействие присадок, например, оксида тория, идет в двух направлениях:

- ThO₂, располагаясь между зернами W, затрудняет образование новых кристаллов и рост уже существующих;

- приобретаемые при ковке вольфрама механические свойства сохраняются в более широком интервалетемператур.

При такой структуре вольфрам более прочен и формоустойчив в области очень высоких температур. Можно применять также комбинированную кремне-ториевую присадку. Оксиды кальция, железа и молибдена в качестве присадок должны быть количественно ограничены, т.к. снижают вышеуказанные характеристики.

Ниже будет рассмотрено применение вольфрама для конкретных узлов и деталей двигателей на твердом топливе [43, 45, 47].

7.7. Псевдосплавы на основе

ВОЛЬФРАМА И МЕДИ

Медь и вольфрам не растворяются друг в друге ни в жидком, ни в твердом состоянии. Поэтому на их основе можно создавать двухфазные композиционные материалы, которые получили название псевдосплавов.

Распространены два метода получения изделий из этих псевдосплавов:

а) жидкофазное или твердофазное спекание смеси компонентов;

б) пропитанного пористого вольфрамового каркаса жидкой медью.

Выбор методов формования и спекания зависит от формы изготовляемой детали, ее назначения, стоимости, а также количества. Для получения беспористых изделийиз W – Cuприменяют многократное прессование и спекание. Структура спеченных псевдосплавов в этом случае представляет собой пластинчатую основу из меди, в которой диспергированы изолированные или соприкасающиеся частицы вольфрама.

При высокой объемной доле вольфрама псевдосплавы получают главным образом путем пропитки медью спеченных пористых каркасов из вольфрама. Псевдосплавы с высоким содержанием вольфрама можно получать также методом горячего прессования в присутствии жидкой фазы. Оно производится в интервале температур 1733…1573 К под давлением от 7 до 25 Мпа в пресс-форме из графита.

В твердотопливных двигателях применяются детали из вольфрамо-медных псевдосплавов с высоким содержанием вольфрама. Их получают, как методом горячего прессования, так и методом пропитки тугоплавкого каркаса медью.

Здесь будут рассмотрены два псевдосплава – АВМГ, ВНДС-1М. Детали из этих сплавов работают в исключительно жестких условиях: высокая температура горения топлива (около 3775 К) и большие скорости горячего газа, особенно в критическом сечении сопла (несколько чисел Маха). В районе критического сечения тепловые потоки достигают 125000 кДж/(м²•с). Кроме высокой теплонапряженности, материалы испытывают химическое воздействие продуктов сгорания, содержащих водород, азот, пары воды и соляной кислоты, СО₂, СО, жидких и твердых частиц оксида алюминия Al₂O₃. Особенно сильное воздействие оказывают продукты в сочетании Al₂O₃ – H₂O–HCl. Очень опасно образование карбида вольфрама, когда он находится в контакте с графитом, например в критическом сечении сопла (рис.75).

Со стороны потока карбид вольфрама образуется по реакции:

, со стороны графита –.

Рис. 75. Модель соплового вкладыша критического сечения:

1 – графит; 2 – сплав АВМГ; 3 - карбид титана

Температура плавления карбида вольфрама около 2650⁰С, а температура эвтектического расплаваW₂C+W – еще ниже. Это очень опасно, так как вызывает прогар вольфрамовой оболочки при температурах, которое значительно ниже температуры плавления вольфрама и температуры горения топлива (~3500⁰С). Но с «лицевой» стороны, т.е. со стороны газового потока, он менее опасен, чем с «тыльной» (на контакте вольфрама с графитом).

Как видим, температура газового потока очень высокая, а при сверхзвуковых скоростях его температура торможения на поверхности материала будет еще выше. Поэтому, чтобы уберечь материал, (в данном случае вольфрам) от чрезмерного нагрева и сохранить его работоспособность вольфрамо-медных псевдосплавах используется так называемое транспирационное охлаждение, о котором было сказано выше более подробно.

В данном случае «охлаждающим» компонентом является медь, которая кипит при температуре 2630 К и, испаряясь, отбирает тепло из тонкого, прилегающего к рабочей поверхности горячего газового слоя.

Несколько слов о меди: в периодической таблице Менделеева она находится в первой группе на 29-ом месте, имеет массовое число 63,5 отк. ед., плотность 8930 кг/м³. Ей свойственны высокая теплопроводность, по которым она уступает только золоту и серебру. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрированная с параметрами а=0,361 нм. С доступом воздуха медь окисляется при температурах выше 700 К, образуя оксиды Cu и Cu₂O. В нашем случае эти реакции не имеют существенного значения, так как медь находится в порах тугоплавкого вольфрамового каркаса. Механические характеристики меди также не играют никакой роли, поэтому мы их не приводим.

Наиболее распространены в РДТТ псевдосплавы АВМГ академический вольфрамо-медный горячий (горячее прессование) и ВНДС – вольфрамо-никелевый деформируемый.

Псевдосплав АВМГ применяется в качестве облицовки вкладыша критического сечения сопла (рис.75), ВНДС – для изготовления деталей клапанов вдува горячего газа в закритическую зону сопла.

Так как современные РДТТ имеют одно центральное сопло, то на каждом двигателе устанавливается одна деталь из сплава АВМГ. Ее внутренний диаметр не менее 500 мм, толщина – не более 10 мм, поэтому обычным холодным прессованием изготовить ее с нужными размерами невозможно.