Тугоплавкие теплозащитные покрытия

К тугоплавким отно­сят покрытия, которые не разрушаются газовым потоком, и по­этому их размеры не меняются в процессе работы. Покрытие на­носится на поверхность защищаемой детали со стороны газового потока (или другого источника тепла) и представляет, таким об­разом, тепловое сопротивление между стенкой и источником теп­ла.

Рис. 13.8. Применение теплозащитного покрытия совместно с конвективным охлаждением

На стационарном режиме теплозащитное покрытие позволя­ет понизить температуру защищаемой стенки лишь при наличии теплового потока через стенку, т. е. при наличии отвода тепла от неё, например, конвективным охлаждением. Проанализируем этот случай (рис. 13.8). Плотности теплового потока при нали­чии покрытия (q _п) и без него (q) равны:

Из уравнения Ньютона следует

(13.12)

Тогда, считая стенку плоской, имеем

(13.13)

так как q _п < q, то температуры стенки (t _{cт ох} и t _{ст г}) при наличии покрытия будут меньше, чем без него. Эта разница возрастает с увеличением теплового сопротивления покрытия . Вместе с тем температура поверхности покрытия со стороны газа (t _п) будет выше температуры стенки, которую она имела бы без покрытия (t _ст^’ _ох). Это следует из уравнения следующих выражений:

и (13.14)

Профиль температур при наличии покрытия (сплошная линия) и без него (пунктир) показан на рис. 13. 8

Из проведённого анализа вытекают важные требования к теплозащитным тугоплавким покрытиям: они должны иметь низ­кий коэффициент теплопроводности (λ _п) и обладать высокой до­пустимой температурой нагрева (t _доп > t _п). Вместе с тем они должны быть стойкими к эрозионному воздействию со стороны газового потока.

Если защищаемая стенка работает в нестационарном тепло­вом режиме и температура меняется в процессе, то основная за­дача теплозащитного покрытия - замедлить процесс нагрева стенки. В этом случае важно, чтобы материал покрытия наряду с низким значением, а обладал значительной тепловой инерци­ей, т. е. имел малый коэффициент температуропроводности λ.

В качестве материалов для покрытий используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам и др.), металлокерамика (окиси, карбиды, интриды металлов), графит. Температура плавления или разложения этих материалов 2300…3800 К. Тугоплавкие покрытия применятся для защиты таких элементов конструкции, которые в процессе работы не должны изменять своей формы и размеров. К таким элементам относится, например, горловина сопла реактивного двигателя.

Важным качеством таких покрытий являются высокая температура плавления, способность противостоять термическим напряжениям, которые возникают при больших температурных градиентах, хорошая сцепляемость (адгезия) с материалами защищаемой стенки.