CC BY
13
УДК 620.22:669.24
А. С. Лавренко, А. В. Коробко, В. Е. Ольшанецкий, С. И. Гоменюк, С. Н. Гребенюк
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТОВ СИСТЕМЫ НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ-ВОЛЬФРАМ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ
ТЕМПЕРАТУР
В работе проведена оценка возможности прогноза высокотемпературных коэффициентов теплопроводности листовыхметаллокомпозитов системы нержавеющая сталь-вольфрамовые волокна, предназначенных для изготовления тонкостенных оболочек, работающих в потоке горячих газов, с использованием теоретических зависимостей, полученных на основе модели неоднородной двоякопериодической среды и теории обобщенной проводимости. Установлено, что прогнозирование теплопроводности этих металлокомпозитов с использованием этой теоретической базы дает в целом необходимую оценку, хотя и приводит к некоторым погрешностям, связанным с физико-химическим взаимодействием металлических волокон и стальной матрицы.
Дальнейший прогресс в энергомашиностроении, авиационной и космической отраслях промышленности неразрывно связан с созданием новых конструкционных материалов, качественно превосходящих по своим физико-механическим свойствам традиционные металлы и сплавы. Существенное повышение технико-экономических показателей современных мощных энергетических комплексов авиакосмического назначения возможно лишь при использовании для наиболее ответственных теплонаг-руженных деталей (например, тонкостенных насадков радиационного охлаждения ракетных двигателей) высокотемпературных материалов, надежно работающих при температурах 1200-1500 °С. К таким материалам относятся листовые металлокомпозиты, которые разрабатываются и исследуются в странах с развитой аэрокосмической промышленностью [1]. При конструировании и изготовлении деталей и узлов из такого рода композитов необходимы достоверные сведения о различных свойствах материалов, таких как прочность, плотность, термическое расширение, теплопроводность, а также методах их оценки. Важность последних двух теплофизических характеристик материалов очевидна, так как в экстремальных условиях неравномерных температурных полей использование материалов с относительно высокой теплопроводностью и низким коэффициентом термического расширения приводит к уменьшению термических напряжений (возникающих в деталях в результате неравномерного нагрева и охлаждения), которые оказывают решающее влияние на коробление и последующее разрушение теплонагруженных деталей. В то же время многие исследователи композиционных материалов отмечают, что уровень теп-
лопроводности, термического расширения и других физических свойств может быть задан в процессе получения композиций методом целенаправленного армирования [2, 3]. Поэтому при разработке новых высокотемпературных композиционных материалов и проектировании из них теплонагруженных деталей возникает необходимость исследования их теплофизических характеристик.
Цель данной работы заключалась в оценке возможности прогноза коэффициентов теплопроводности листовых высокотемпературных композиционных материалов системы нержавеющая сталь-вольфрамовые волокна, предназначенных для изготовления тонкостенных оболочек (работающих в потоке горячих газов) с использованием рекомендуемых в литературе теоретических зависимостей и установлении величин возникающих при этом погрешностей.
Изучение температурных зависимостей теплопроводности проводили для листовых композиционных материалов системы 12Х18Н10Т (матрица)-ВР27ЗВП(волокно), полученных методом импульсной электросварки. Значение констант теплопроводности материалов матрицы и волокон исследуемых композиций при различных температурах приведены в таблице 1.
Для экспериментальных исследований применяли образцы с размерами 4x200 мм, вырезанные из листовых композиций толщиной 0,9^1,4 мм вдоль, поперек и под разными углами к направлению, параллельно ориентированных вольфраморе-ниевых волокон диаметром 0,3 мм. Объемное содержание волокон в армированных образцах составляло 11-23 %. Перед проведением исследований об-
© А. С. Лавренко, А. В. Коробко, В. Е. Ольшанецкий, С. И. Гоменюк, С. Н. Гребенюк, 2008
Таблица 1 - Теплопроводность материалов матрицы и волокон при различных температурах
5]:
Т, °С Х, Вт/(м-К)
12Х18Н10Т ВР27-3ВП
100 16,1 40,5
200 17,4 43,9
300 18,6 46,3
400 20,1 47,2
500 22,0 51,6
600 23,6 55,8
700 25,2 59,1
800 27,0 64,0
900 29,0 68,9
1000 30,5 72,1
1100 32,0 76,0
1200 34,0 80,5
1300 35,8 84,0
Х11 -Х /У/ + Х тУт-
(1)
где Хп - коэффициент теплопроводности композиционного материала вдоль оси волокон;
Х / - коэффициент теплопроводности волокон;
Х т - коэффициент теплопроводности матрицы;
У/ - объемная доля волокон;
Ут - объемная доля матрицы.
Для определения коэффициента теплопроводности материала в направлении, перпендикулярном к оси волокон, предложен ряд формул. Так, на основе модели неоднородной двоякопериодической среды получена формула [5]:
разцы отжигали при температуре 1300 °С в течение 0,5 часа с целью формирования хорошо выраженной зоны диффузионного взаимодействия на границах раздела волокон с матрицей. Типичная микроструктура сформированной переходной зоны приведена на рис. 1.
■ 'г • . V-. •
Ш щ
Х 22 - Х т
Ут (1 + к) + 2У/ Ут (1 + к) + 2кУ/
(2)
где X 22 - коэффициент теплопроводности перпендикулярно оси волокон;
к-Хт
х / ■
Согласно теории обобщенной проводимости предложена формула иного вида [6, 7]:
Х 22 = Х т
ШШ 1 1
Рис. 1. Микроструктура композиционного материала 12Х18Н10Т-ВР27ЗВП:
1 - вольфрамовое волокно; 2 - переходная зона;
3 - матрица
Теплопроводность измеряли методом нагрева двух коротких стержней электрическим током в вакууме [4]. Относительная погрешность измерения коэффициентов теплопроводности данным методом не превышала ±5 %.
Расчет теоретических значений теплопроводности проводили по зависимостям, которые позволяют получить удовлетворительное соответствие рассчитанных и экспериментально определенных констант теплопроводности различных композиций с нереагирующими между собой компонентами (системы медь-вольфрам, алюминий-сталь). При этом для двухкомпонентных композиционных материалов, армированных сплошными параллельно ориентированными волокнами, коэффициент теплопроводности вдоль оси волокон определяли по формуле [3,
Уг 1 —+ -
V/
т I 1 - т кт\ т +--
(3)
где т - -
Сл/П 2а
(С - диаметр волокон, в нашем случае сС = 0,3 мм; а - шаг между волокнами (0,556 мм); к - имеет прежний смысл. Для нахождения коэффициентов теплопроводности в произвольном направлении, определяемом углом 0 к направлению укладки волокон, на основе модели неоднородной двоякопериодической среды предложена формула [5]:
22 Х0 =ХП 008 0 + Х22 БШ 0,
(4)
где 0 - угол относительно направления укладки волокон, а на основе теории обобщенной проводимости получена формула [6, 7]:
Х0 = Х11 "(Х11 -Х 22 }
90
(5)
(здесь 0 задан в радианной мере).
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 137 -
В табл. 2 и 3, а также на рис. 2 и 3 приведены лопроводности композиционных образцов в срав-рассчитанные по зависимостям (1)-(5) значения теп- нении с экспериментальными данными.
Таблица 2 - Численные значения коэффициентов теплопроводности волокнистого композиционного материала системы 12Х18Н10Т+11 % ВР27-3ВП при различных температурах
Т, °С ^11 ^11 ^ 22 ^ 22 ^ 22
(формула (эксперимент) (формула 2) (формула 3) (эксперимент)
1)
100 18,8 16,2 17,7 17,6 14,8
200 20,3 18,4 19,1 19,0 16,9
300 21,6 - 20,4 20,3 -
400 23,1 21,5 22,0 21,9 17,6
500 25,3 - 24,0 23,9 -
600 27,1 25,7 25,8 25,7 21,0
700 28,9 - 27,5 27,4 -
800 31,1 27,9 29,5 29,4 23,5
900 33,4 - 31,7 31,6 -
1000 35,1 30,8 33,4 33,2 26,7
1100 36,8 - 35,0 34,8 -
1200 39,1 35,6 37,2 37,0 32,1
1300 41,1 - 39,1 38,9 -
Таблица 3 - Численные значения коэффициентов теплопроводности волокнистого композиционного материала системы 12Х18Н10Т+23 % ВР27-3ВП при различных температурах
Т, °С ^11 ^11 ^ 22 ^ 22 ^ 22
(формула 1) (эксперимент) (формула 2) (формула 3) (эксперимент)
100 21,7 20,2 19,6 19,2 16,0
200 23,5 21,9 21,2 20,8 18,2
300 25,0 - 22,7 22,2 -
400 26,3 24,8 24,2 23,8 18,5
500 28,8 - 26,5 26,0 -
600 31,0 29,1 28,5 27,9 22,4
700 33,0 - 30,3 29,8 -
800 35,5 33,7 32,6 32,0 24,1
900 38,2 - 35,0 34,3 -
1000 40,1 38,0 36,8 36,1 27,5
1100 42,1 - 38,6 37,9 -
1200 44,7 43,1 41,0 40,2 33,7
1300 46,9 - 43,1 42,3 -
Формула (4) Формула (5) Эксперимент
О 20 40 60 ВО 100
Рис. 2. Изменение коэффициента теплопроводности композиции 12Х18Н10Т +23 % ВР27-3ВП в зависимости от угла 0 при Т =
100 °С
Рис. 3. Изменение коэффициента теплопроводности композиции 12Х18Н10Т +23 % ВР27-3ВП в зависимости от угла 0 при Т -
1300 °С
Наблюдаемое в табл. 2 и 3 несоответствие эксперимента с зависимостью (1) для случая расположения армирующих волокон вдоль теплового потока (X ц) наиболее вероятно связано с изменением химического состава приграничных зон из-за частичного растворения вольфраморениевых волокон в матричном сплаве, а также с образованием на поверхности волокон тонкого слоя интерметалли-дов в результате предварительного высокотемпературного отжига образцов (при этом величина отклонения достигает 5-14 %).
Для случая поперечного расположения волокон степень такого отклонения значительно возрастает, и в зависимости от принимаемой расчетной формулы (3) или (2) погрешность прогноза достигает соответственно 19,6 % и 20 % (при У/ = 0, 11) и 24,7 % и 26,1 % (при У^- = 0, 23). К увеличению разницы между экспериментом и прогнозом в данном случае приводит увеличение объемного содержания армирующих волокон и, соответственно, увеличение суммарной поверхности раздела волокно-матрица. При расположении волокон под углом (0 < 0 < 90 °) к потоку тепла несоответствие между экспериментальными и рассчитанными по зависимостям (4) и (5) значениями теплопроводности также не превышает указанных пределов.
С повышением температуры испытаний рассмотренные погрешности несколько уменьшаются из-за некоторого уменьшения соотношения между значениями теплопроводности волокон и матрицы (см. табл. 1), однако характер отклонений экспериментальных данных от рассчитанных сохраняется.
Таким образом, на основании приведенных результатов и других данных, полученных в настоя-
щей работе при изучении металлических композиций с различным объемным содержанием волокон, можно заключить, что прогнозирование теплопроводности композитов нержавеющая сталь-вольфра-морениевые волокна (на базе приведенных соотношений) дает в целом необходимую оценку, хотя и приводит к некоторым погрешностям, связанным с физико-химическим взаимодействием волокон и матрицы.
Перечень ссылок
1. Шалин Р.Е. Новые материалы и технологии - перспектива развития и создания авиационной техники // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1994.- № 2. - С. 3-11.
2. Туманов А. Т., Портной К. И. Новые материалы в современной технике. - ДАН СССР, 1972. - Т. 205.
- № 2. - С. 336-338.
3. Композиционные материалы. Справочник / Под общ. ред. Д.М. Карпиноса. - К.: Наукова думка, 1985. - 581 с.
4. Лавренко А.С., Ольшанецкий В.Е. Измерение теплопроводности тонких анизотропных металлических материалов в широком диапазоне температур // Заводская лаборатория. - 1984. - № 10. - С. 28-29.
5. Яценко М.И. Зависимость удельной электропроводности волокнистых композиционных материалов алюминий-сталь, алюминий-бор от содержания волокон, их ориентации и структуры / Физика и химия обработки материалов. - 1981.
- № 4. - С. 112-116.
6. Дульнев Г. Н., Заричняк Ю. П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. - Л.: Энер-
ISSN1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 139 -
гия, 1974. - 264 с. 7. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П., Карпинос Д.М., Клименко В.С. Исследование теплопроводнос-
ти композиционных материалов из металлических волокон и порошков / Теплофизика высоких температур. - 1974. - Т. 13. - № 6.- С. 11891192.
Поступила в редакцию 25.03.2008
У po6omi зроблено оцтку можливостi прогнозу високотемпературних коефiцiентiв теп-лопровiдностi листових металокомпозитiв системи неiржавiюча сталь-вольфрамовi волокна, призначених для виготовлення тонкостiнних оболонок, працюючих у потоцi гаря-чих газiв, з використанням теоретичних залежностей, отриманих на 6u3i моделi неодно-рiдного подвтно перiодичного середовища i теори узагальнено'1 провiдностi. Встановле-но, що прогнозування теплопровiдностi таких металокомпозитiв з використанням цiеi теоретично'1 бази дае у цшому необхiдну оцтку, хоча i призводить до деяких похибок, по-в 'язаних з фiзико-хiмiчною взаемодiею металевих волокон зi сталевою матрицею.
The estimation possibility of prognosis of high temperature coefficients of heat conductivity for sheet metalic composite systems stainless-steel tungsten fibres used for production of thin-walled shells workings in the stream of hot gases using of theoretical dependences based on model of inhomogeneous biperiodic medium and theory of the generalized conductivity have been carried out. It is found that prognosis of heat conductivity of these metalic composites using this theoretical base gives required estimation as a whole, though results in some errors related to physical and chemical interaction of metallic fibres and steel matrix.
