Применение кобальтового сплава в условиях сверхнизких температур

В области сверхнизкотемпературной техники материалы принадлежностей оборудования должны обладать механической стабильностью, стойкостью к охрупчиванию и коррозионной стойкостью при экстремальных температурах. Сплавы на основе кобальта обладают превосходной комплексной производительностью в условиях сверхнизких температур благодаря своему уникальному составу и микроструктуре. Они стали ключевыми материалами для запасных частей в аэрокосмической промышленности, СПГ, сверхпроводящей технике и других областях.

Кобальтовые сплавы

Кобальтовые сплавы основаны на кобальте, в основном с добавлением хрома, вольфрама, углерода и других элементов. Плотноупакованная гексагональная кристаллическая структура кобальта имеет превосходную прочность при низких температурах, а плотный Кр₂ТО₃Оксидная пленка может эффективно противостоять коррозии. Вольфрам повышает прочность матрицы за счет упрочнения твердого раствора, в то время как углерод образует высокотвердые карбиды с хромом и вольфрамом, которые равномерно распределены в твердом растворе на основе кобальта, образуя "жесткую скелетную структуру, которая обеспечивает как износостойкость, так и прочность. Эта сложная фазовая структура делает ее менее склонной к охрупчиванию при сверхнизких температурах и обладает выдающейся ударопрочностью.

Основное преимущество кобальтовых сплавов в условиях сверхнизких температур

Сплавы кобальта могут сохранять высокую прочность и пластичность при -196°C, а низкотемпературная вязкость их твердого раствора на основе кобальта эффективно подавляет распространение трещин. Напротив, обычная нержавеющая сталь склонна к охрупчиванию из-за мартенситного превращения при сверхнизких температурах. В то же время сплав кобальта избегает изменения фазы кристаллической структуры за счет оптимизации состава и обеспечивает организационную стабильность.

В сверхнизкотемпературных средах, таких как СПГ, поверхностный слой покрытия из кобальтового сплава может противостоять коррозионной среде, содержащей Кл⁻. Например, в конкретном поворотном клапане СПГ используется корпус клапана с покрытием из кобальтового сплава в сочетании с процессом криогенной обработки, так что двухсторонняя плавающая структура уплотнительного кольца может достигать радиального динамического балансового уплотнения, значительно снижая износ и продлевая срок службы.

Высокотвердый карбид кобальтового сплава может эффективно противостоять абразивному износу и эрозионному износу при сверхнизких температурах. Например, в рукавах и уплотнительных кольцах насосов СПГ износостойкость кобальтового сплава делает его срок службы в 3–5 раз больше, чем у обычных материалов. Кроме того, его усталостная прочность позволяет выдерживать частые температурные циклы.

Применение кобальтового сплава в области сверхнизких температур

Оборудование для сжиженного природного газа (СПГ)

Кобальтовый сплав стал идеальным материалом для уплотнительных поверхностей клапанов, рабочих колес насосов и подшипников в ключевых компонентах резервуаров для хранения СПГ, транспортных судов и трубопроводов благодаря своей низкой температуре и износостойкости. После криогенной обработки подготовленные уплотнительные компоненты могут соответствовать строгим требованиям низкотемпературных рабочих условий, значительно снижать крутящий момент открытия и закрытия оборудования и продлевать срок службы, эффективно обеспечивая безопасную и стабильную работу цепочки СПГ-индустрии.

Космическая криогенная двигательная установка

Кобальтовый сплав играет ключевую роль в турбинных насосах, клапанах и компонентах трубопроводов ракетных двигателей на жидком водороде/жидком кислороде. В условиях крайне низкой температуры окружающей среды -253℃ его превосходная кавитационная и термостойкая стойкость может гарантировать, что основные компоненты, такие как лопатки и уплотнения турбин, сохранят надежную работу при переменных нагрузках высокой и низкой температуры. Этот тип сплава обладает как высокой температурной прочностью, так и низкотемпературной вязкостью и может адаптироваться к сложным термомеханическим условиям в двигательной системе.

Сверхпроводящая технология и криогенная техника

Кобальтовые сплавы стали предпочтительным материалом для опорных конструкций и соединительных компонентов из-за их низкого коэффициента теплового расширения в структурном проектировании сверхпроводящих магнитов и криогенного холодильного оборудования. Эта особенность делает его хорошим термическим соответствием сверхпроводящим материалам, эффективно снижая влияние термического напряжения в условиях низких температур. Даже в условиях экстремально низких температур -269℃ его стабильные механические свойства могут по-прежнему обеспечивать надежность и целостность конструкции оборудования.

Сравнительный анализ свойств материалов

Из сравнения характеристик, кобальтовые сплавы имеют выдающиеся характеристики твердости, низкотемпературной вязкости, коррозионной стойкости и износостойкости. Его твердость при комнатной температуре может достигать 40–60HRC, что значительно выше, чем у титановых сплавов и нержавеющей стали.

Что касается низкотемпературной вязкости, то кобальтовые сплавы не подвержены охрупчиванию при температуре -196 ℃, титановые сплавы могут сохранять определенную пластичность при температуре -253 ℃, а обычная нержавеющая сталь склонна к хрупкому разрушению при температуре -196 ℃.

Кобальтовые сплавы обладают превосходной стойкостью к коррозии Кл⁻, титановые сплавы обладают хорошей стойкостью к окислительным средам, а нержавеющую сталь необходимо пассивировать для повышения коррозионной стойкости.

Что касается износостойкости, то кобальтовые сплавы обладают превосходными характеристиками благодаря карбидному упрочнению, титановые сплавы имеют умеренную износостойкость и зависят от обработки поверхности, а нержавеющая сталь имеет плохую износостойкость и склонна к проблемам износа в процессе эксплуатации.