Сплавы для работы при низких температурах

Железоникелевые сплавы

Для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры, используют высоколегированные инвары — сплавы железа с никелем. Сплав с 36 % никеля имеет величину коэффициента литейного расширения при температурах 50—300 К в 10—20 раз мень­шую, чем для никелевых и хромоникелевых сталей, а также алюминиевых сплавов.

Из инваров изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при температурах до 20 К (например, трубопроводы ЖРД), некоторые элементы арматуры, которые по условиям работы должны иметь минималь­ные изменения размеров при изменении температуры. Малая величина коэффициента линейного расширения материала позволит уменьшить напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов для компенсации деформации, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Недостатком железоникелевых сплавов является их высокая стоимость, превышающая стоимость сталей типа 12Х18Ш0Т в 5—10 раз.

Свойства и применение алюминиевых сплавов при низких температурах

Алюминиевые сплавы имеют низкую плотность, коррозионную стойкость и высокий уровень механических свойств, благодаря чему они находят широкое применение. Способность алюминия и его сплавов сохранять пластичность вплоть до криогенных тем­ператур послужили основой для их широкого использования при изготовлении низкотемпературного оборудования. Применимость алюминиевых сплавов для работы при низких температурах обусловлена кристаллической структурой алюминия. Он кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба и не имеет полиморфных превращений.

В холодильной и криогенной технике применяют как технический алюминий, так и его сплавы. Технический алюминий ши­роко используют для изготовления малонагруженных элементов конструкций. В общем объеме потребление его достаточно велико. Из алюминия изготавливают такие детали, как насадки регенераторов, паяные теплообменники аппаратов воздухоразделительных установок и др. Алюминиевые сплавы применяют для изготовления емкостей и трубопроводов для хранения и транспортировки жидких газов: природного газа, кислорода, азота, водорода и гелия, а также, в качестве материала для ректифика­ционных колонн и трубных систем. При температурах ниже 120 К объем потребления алюминиевых сплавов, главным образом в виде горячекатанного листа, составляет около 30 % от объема всего используемого металла.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов часто заставляет отказываться от применения их в деталях, которые определяют притоки теплоты к охлаждаемым элементам.

Например, горловины криостатов выполняют из аустенитных сталей или полимерных материалов, хотя сам внутренний сосуд изготовляется из алюминиевого сплава.

Алюминиевые сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали. Это определяет более высокий уровень термических напряжений, особенно в жесткозащемленных элементах конструкций при их охлаждении. Поэтому в трубопроводах для перекачки сжиженных газов в случае отсутствия возможности применения компенсаторов деформации предпочтительно использование сплавов на основе железа.

В технике низких температур применяют деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Прочность при растяжении деформируемых алюминиевых сплавов с понижением температуры от 293 до 77 К увеличивается на 35—60 %, а предел текучести — на 15—25 %. Пластичность при снижении температуры обычно даже несколько возрастает или остается на уровне пластичности при комнатной температуре.