способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем

Формула изобретения

1. Способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем, включающий нанесение на находящуюся во внешней вакуумной среде наружную поверхность устройства с расположенным внутри жидким щелочным теплоносителем защитного покрытия, отличающийся тем, что в качестве защитного покрытия используют ленту из фольги из геттерно-активного материала, на одну из поверхностей которой предварительно наносят последовательно два защитных слоя, причем материал первого слоя обладает коэффициентом линейного расширения, равным 0,7-1,3 коэффициента линейного расширения материала ленты фольги, материал второго слоя обладает малой пропускной способностью активных газов внешней вакуумной среды, а нанесение защитного покрытия на наружную поверхность устройства производят плотной намоткой внахлест ленты из фольги с защитными слоями наружу.

2. Способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным металлом по п.1, отличающийся тем, что в качестве геттерно-активного материала ленты из фольги используют титан или его сплав, или ниобий или его сплав, или тантал или его сплав.

3. Способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным металлом по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала первого защитного слоя используют оксид алюминия.

4. Способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным металлом по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала второго защитного слоя используют хромоникелевую шпинель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к высокотемпературным устройствам атомной и космической технике, материаловедению тугоплавких конструкционных металлов и теплофизике теплоносителей из жидких щелочных металлов.

В космической и атомной технике все чаще используют в качестве высокотемпературных конструкционных материалов тугоплавкие металлы ниобий, молибден, ванадий, тантал и их сплавы, а в качестве рабочих сред - жидкие щелочные теплоносители натрий, калий, литий, эвтектический сплав натрий-калий. Устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем могут работать в различных внешних средах, в том числе вакууме, включая космический.

Надежность и долговечность устройств, машин и механизмов из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем зависят от стабильности коррозионно-механических характеристик конструкционных материалов из тугоплавкого металла при комплексном воздействии механических нагрузок, высоких рабочих температур, рабочих сред, внешней атмосферы. Так, например, ниобий и его сплавы отличаются высокими прочностью при достаточной пластичности в интервале низких и комнатной температур, жаропрочностью и низким температурным интервалом перехода из пластического состояния в хрупкое. Следует отметить также высокую коррозионную стойкость ниобия и его сплавов к жидким щелочным теплоносителям.

Ниобий и его сплавы обладают исключительной технологичностью, поддаются свариванию и пайке. Именно эти свойства в комплексе с прочими (малой величиной поперечного захвата тепловых нейтронов, стойкостью в условиях облучения, высокой сопротивляемостью термической усталости) обуславливают использование ниобия и его сплавов в качестве конструкционных материалов для атомных источников энергии и ракетно-космической технике.

Однако внедрение устройств из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем сдерживается из-за их склонности при высоких температурах к активному взаимодействию с газами внешней среды, прежде всего кислородом, причем даже незначительное загрязнение тугоплавких металлов и их сплавов примесями внедрения существенно влияет на физико-механические свойства металлов, а при наличии щелочного теплоносителя - и на коррозионные свойства конструкционного металла в среде жидкого щелочного теплоносителя.

Поэтому необходима защита наружной поверхности устройства из тугоплавкого металла со щелочным теплоносителем от активных газов внешней среды, прежде всего кислорода.

Известен способ защиты устройства из тугоплавкого металла (ниобиевого сплава) от внешней окислительной среды [1]. Он включает нанесение на наружную поверхность силицидного защитного покрытия и последующую выдержку при высоких температурах.

При использовании этого способа защиты нанесение покрытия незначительно влияет на прочность и относительное удлинение металла при высоких температурах.

Однако среднее относительное удлинение при комнатной температуре снижается почти вдвое. При длительной выдержке при повышенных температурах в окислительной среде относительное удлинение становится еще меньше. Это свидетельствует об охрупчивании ниобия под действием либо компонентов покрытия, либо проникающих через покрытие атмосферных газов, т.е. этот способ изменяет механические свойства конструкционного материала из тугоплавкого металла с расположенным внутри жидким щелочным теплоносителем.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ защиты устройства из тугоплавкого металла (ниобиевого сплава) с жидким щелочным теплоносителем (литием) путем нанесения на находящуюся во внешней вакуумной среде наружную поверхность защитного покрытия, описанный в [2]. Нанесение покрытия осуществляется методом диффузионного насыщения из транспортных расплавов легкоплавких металлов, содержащих наносимый элемент защитного покрытия, в неподвижных или вращающихся ампулах. Ампулы после загрузки устройства герметизируются. После окончания процесса ампулы извлекаются из печи и разрезаются на токарном станке. Если в состав транспортного расплава входят щелочными металлы, то устройства выщелачиваются в воде.

Однако этот способ применим к устройствам небольших размеров и относительно правильной геометрической формы. При нанесении покрытий этим способом на устройства значительных размеров и сложной формы возможно образование неравномерных слоев за счет перепада температур по длине ампул и расслоения расплава за счет разницы в плотности легкоплавкого металла и диффузанта. В результате качество покрытия может оказаться неудовлетворительным. Возможно также изменение механических свойств конструкционного тугоплавкого металла в процессе нанесения защитного покрытия.

Задачей предложенного технического решения является возможность обеспечения защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем значительных размеров и сложной формы, работающих во внешней вакуумной среде, без изменения механических свойств конструкционного тугоплавкого металла в процессе нанесения защитного покрытия и в процессе эксплуатации.

Задача достигается в способе защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем, включающем нанесение на находящуюся во внешней вакуумной среде наружную поверхность устройства с расположенным внутри жидким щелочным теплоносителем защитного покрытия, в котором в качестве защитного покрытия используют ленту из фольги из геттерно-активного материала, перед нанесением защитного покрытия на одну из поверхностей ленты наносят последовательно два защитных слоя, причем материал первого слоя обладает коэффициентом линейного расширения, равным от 0,7 до 1,3 коэффициента линейного расширения материала ленты из фольги, а материал второго слоя обладает малой пропускной способностью активных газов внешней вакуумной среды, а нанесение защитного покрытия на наружную поверхность устройства производят плотной намоткой внахлест ленты из фольги с защитными слоями наружу.

В качестве геттерно-активного материала фольги могут быть использованы титан или его сплав, ниобий или его сплав, тантал или его сплав. В качестве материала первого защитного слоя может быть использован оксид алюминия, а в качестве материала второго защитного слоя - хромоникелевая шпинель.

Чертежи фиг.1-3 поясняют суть предложенного способа защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем. На фиг.1 приведена схема конструкции устройства на примере жидкометаллического контура из тугоплавкого металла ниобия с литиевым теплоносителем, причем контур работает в вакуумной камере, вакуумная среда которой имитирует космическое пространство. На фиг.2 изображен фрагмент изготовления защитного покрытия. На фиг.3 приведен фрагмент трубопровода устройства с нанесенным защитным покрытием.

Приведенное на фиг.1 в качестве примера устройство из тугоплавкого металла, например ниобиевого сплава, с жидким щелочным теплоносителем, например литием, содержит источник тепла, например, в виде герметичного корпуса 1 с электронагревателями 2, трубопроводы 3 и 4, коллектор 5 системы сброса тепла 6, например, холодильника-излучателя на основе тепловых труб, компенсационную емкость 7 и насос 8.

Все агрегаты устройства, а именно: корпус 1, трубопроводы 3 и 4, коллектор 5, компенсационная емкость 7 и насос 8 изготовлены из тугоплавкого металла, например ниобия или его сплава, и внутри них находится жидкий щелочной теплоноситель 9, например литий. Снаружи агрегатов устройства, а именно: корпуса 1, трубопроводов 3 и 4, коллектора 5, компенсационной емкости 7 и насоса 8 нанесено защитное покрытие 10. Устройство размещено внутри вакуумной камеры 11, снабженной вакуумным агрегатом 12.

Способ защиты устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем реализуется следующим образом.

Сначала изготавливают защитное покрытие 10 (фиг.2). Для этого выбирают готовую (или изготавливают) тонкую и эластичную фольгу 13 из геттерно-активного материала, т.е. материала, поглощающего активные газы, прежде всего кислород, внешней вакуумной среды 14. В качестве геттерно-активного материала фольги 13 используют титан или его сплав, ниобий или его сплав, тантал или его сплав. Все эти металлы активно поглощают кислород из вакуумной среды 14 вакуумной камеры 11 (или космического пространства). Фольгу разрезают на ленты, которую наматывают на тело вращения. На наружную поверхность ленты из фольги 13 наносят первый защитный слой 15, задача которого - обеспечить прочное сцепление с материалом фольги 13. Так как защитное покрытие 10 будет работать при высоких температурах, например 600-1000^oС, основное требование к первому защитному слою 15 - прочное сцепление с материалом фольги 13. Для этого материал слоя 15 должен обладать коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения материала фольги 13. На практике допускается отличие коэффициентов линейного расширения этих материалов не более 30%, т. е. материал первого защитного слоя должен обладать коэффициентом линейного расширения, равным 0,7-1,3 коэффициента линейного расширения материала фольги. В качестве материала первого защитного слоя с такими свойствами может быть использован оксид алюминия Аl₂O₃, коэффициент линейного расширения которого практически равен коэффициенту линейного расширения ниобия и его сплавов и близок к коэффициентам линейного расширения других возможных материалов фольги. Нанесение первого защитного слоя 15 на поверхность фольги 13 производят, например, способом плазменного напыления. Требуемая толщина слоя 15 регулируется временем нанесения.

После соответствующего контроля качества нанесения слоя 15 и его сцепления с материалом фольги 13 производят нанесение на наружную поверхность слоя 15 второго защитного слоя 16 из материала, обладающего малой пропускной способностью активных газов внешней вакуумной среды. В качестве материала второго защитного слоя 16 наиболее предпочтительно использовать хромоникелевую шпинель, тонкие слои которой при отсутствии трещин практически непрозрачны для кислорода внешней вакуумной среды 14. Нанесение второго слоя 16 может быть произведено, например, также способом плазменного напыления. Требуемая толщина слоя 16 также может регулироваться временем нанесения.

После нанесения защитных слоев 15 и 16 на поверхность фольги 13 ленту 17 с защитными слоями снимают с устройства, на которое она была намотана для нанесения слоев 15 и 16. Ширина 1 ленты 17 может быть любой и, как правило, выбирается из соображений удобства последующей намотки на агрегаты защищаемого устройства.

После этого приступают к последнему этапу реализации способа защиты устройства с расположенным внутри жидким щелочным металлом - собственно нанесению защитного покрытия на находящуюся во внешней вакуумной среде наружную поверхность устройства. Для этого на наружную поверхность всех агрегатов устройства, а именно корпус 1, трубопроводы 3 (фиг.3) и 4, коллектор 5, компенсационная емкость 7 и насос 8, изготовленных из тугоплавкого металла, например ниобия или его сплава, плотно, внахлест наматывают ленту 17 с защитным слоем 16 наружу.

После завершения этой последней операции устройство, например жидкометаллический контур со всеми его агрегатами, снаружи будет защищено защитным покрытием в виде лент 17 и может длительно работать в вакуумной среде 14 вакуумной камеры 11 (или космоса) при наличии в ней кислорода соответствующего парциального давления, а также и других активных газов, например азота. Так как расположенный снаружи устройства материал второго защитного слоя 16 обладает малой пропускной способностью активных газов внешней вакуумной среды 14, то будет затруднено попадание этих активных газов, прежде всего кислорода, на поверхность агрегатов устройства (корпус 1, трубопроводы 3 и 4, коллектор 5, компенсационная емкость 7 и насос 8), изготовленных из тугоплавкого металла, например ниобия или его сплавов. В случае повреждения слоя 16, например растрескивания, пробоя микрометеоритами и т.п., активные газы, прежде всего кислород, внешней вакуумной среды будут поглощены материалом фольги 13 из геттерно-активного материала.

Намотка ленты 17 внахлест (фиг.3) гарантирует отсутствие поперечных щелей в защитном покрытии 10 при монтаже, эксплуатации, ремонте. Намотка ленты 17 плотно обеспечивает малую ширину d щели 18 (фиг.3) между наружной поверхностью агрегатов, например трубопровода 3, и внутренней поверхностью ленты 17 из фольги 13 из геттерно-активного материала. В результате ширина щели d будет намного меньше длины свободного пробега кислорода (и других активных газов) при парциальном давлении в вакуумной камере 11 (или космосе). Поэтому даже при попадании молекулы (или атома) кислорода в щель 18 она сразу же будет поглощена материалом фольги 13 из геттерно-активного материала. Тем самым обеспечивается длительная ресурсоспособность устройства.

Так как нанесение защитных слоев 15 и 16 производится на фольгу 13, а не на тугоплавкий металл устройства, то прочностные свойства тугоплавкого металла не ухудшаются (сохраняются исходными) в процессе нанесения защитного покрытия, тем самым также обеспечивается длительная ресурсоспособность устройства.

Предложенный способ был опробован при создании и длительных испытаниях контуров из ниобиевого сплава с жидкометаллическим литиевым теплоносителем и обеспечил надежную защиту контура как при нормальных условиях эксплуатации при 800-1000^oС в течение более года, так и при аварийных ситуациях, связанных с кратковременной разгерметизацией вакуумной камеры и заметным увеличением в ней парциального давления кислорода.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает защиту устройства из тугоплавкого металла с жидким щелочным теплоносителем, в том числе значительных размеров и сложной формы, работающих во внешней вакуумной среде, без изменения механических свойств конструкционного тугоплавкого металла в процессе нанесения защитного покрытия.

Источники информации

1. Тугоплавкие металлы в новой технике / Пер. с англ. под ред. К.И. Портного и В.Г. Арабея. М.: Мир, 1969, с. 257-260.

2. Высокотемпературная работоспособность тугоплавких металлов и сплавов в агрессивных средах / Г.Г. Максимович и др. Киев: Наукова думка, 1982, с. 146-148.