Applicazione della lega di cobalto in ambienti a temperatura ultra bassa

Nel campo dell'ingegneria a bassissime temperature, i materiali degli accessori delle apparecchiature devono garantire stabilità meccanica, resistenza alla fragilità e resistenza alla corrosione a temperature estreme. Le leghe a base di cobalto offrono eccellenti prestazioni complete in ambienti a bassissime temperature grazie alla loro composizione e microstruttura uniche. Sono diventate materiali chiave per i componenti di ricambio nei settori aerospaziale, GNL, tecnologia dei superconduttori e altri settori.

Leghe di cobalto

Le leghe di cobalto sono a base di cobalto, con aggiunta principalmente di cromo, tungsteno, carbonio e altri elementi. La struttura cristallina esagonale compatta del cobalto presenta un'eccellente tenacità a basse temperature, mentre il Cr denso₂IL₃Il film di ossido può resistere efficacemente alla corrosione. Il tungsteno migliora la resistenza della matrice attraverso il rafforzamento in soluzione solida, mentre il carbonio forma carburi ad alta durezza con cromo e tungsteno, che sono distribuiti uniformemente nella soluzione solida a base di cobalto per formare una struttura a scheletro duro, che fornisce sia resistenza all'usura che tenacità. Questa struttura a fase complessa lo rende meno soggetto a fragilità a temperature ultra-basse e presenta un'eccezionale resistenza agli urti.

Il vantaggio principale delle leghe di cobalto in ambienti a temperature estremamente basse

Le leghe di cobalto mantengono elevata resistenza e plasticità anche a -196 °C, e la tenacità a bassa temperatura della loro soluzione solida a base di cobalto inibisce efficacemente la propagazione delle cricche. Al contrario, l'acciaio inossidabile comune è soggetto a fragilizzazione a causa della trasformazione martensitica a temperature estremamente basse. Allo stesso tempo, la lega di cobalto evita il cambiamento di fase della struttura cristallina grazie all'ottimizzazione della composizione e garantisce la stabilità organizzativa.

Nei fluidi a bassissima temperatura come il GNL, lo strato di rivestimento superficiale in lega di cobalto può resistere all'ambiente corrosivo contenente Cl⁻. Ad esempio, una particolare valvola a farfalla per GNL utilizza un corpo valvola con rivestimento in lega di cobalto, combinato con un processo di trattamento criogenico, in modo che la struttura flottante bidirezionale dell'anello di tenuta possa ottenere una tenuta a bilanciamento dinamico radiale, riducendo significativamente l'usura e prolungando la durata utile.

L'elevata durezza del carburo di cobalto consente di resistere efficacemente all'usura abrasiva e all'erosione a temperature bassissime. Ad esempio, nei manicotti e negli anelli di tenuta delle pompe GNL, la resistenza all'usura della lega di cobalto ne aumenta la durata da 3 a 5 volte rispetto ai materiali tradizionali. Inoltre, la sua resistenza alla fatica consente di sopportare frequenti cicli di temperatura.

Applicazione della lega di cobalto nel campo delle temperature ultra-basse

Apparecchiature per gas naturale liquefatto (GNL)

La lega di cobalto è diventata un materiale ideale per le superfici di tenuta di valvole, giranti di pompe e cuscinetti nei componenti chiave di serbatoi di stoccaggio di GNL, navi da trasporto e condotte di trasmissione, grazie alla sua bassa temperatura e resistenza all'usura. Dopo il trattamento criogenico, i componenti di tenuta preparati possono soddisfare i severi requisiti delle condizioni di esercizio a bassa temperatura, ridurre significativamente la coppia di apertura e chiusura delle apparecchiature e prolungarne la durata, garantendo efficacemente il funzionamento sicuro e stabile della filiera del GNL.

Sistema di propulsione criogenica spaziale

La lega di cobalto svolge un ruolo chiave nelle pompe a turbina, nelle valvole e nei componenti delle condotte dei motori a razzo a idrogeno liquido/ossigeno liquido. A fronte di temperature ambientali estremamente basse (-253 °C), la sua eccellente resistenza alla cavitazione e agli shock termici garantisce che i componenti principali, come le pale e le guarnizioni della turbina, mantengano prestazioni affidabili anche in presenza di carichi alternati ad alta e bassa temperatura. Questo tipo di lega presenta sia resistenza alle alte temperature che tenacità alle basse temperature, e può adattarsi alle complesse condizioni termo-meccaniche del sistema di propulsione.

Tecnologia superconduttiva e ingegneria criogenica

Le leghe di cobalto sono diventate il materiale preferito per strutture di supporto e componenti di collegamento grazie al loro basso coefficiente di dilatazione termica nella progettazione strutturale di magneti superconduttori e apparecchiature di refrigerazione criogenica. Questa caratteristica consente un buon adattamento termico con i materiali superconduttori, riducendo efficacemente l'impatto dello stress termico in ambienti a bassa temperatura. Anche a temperature estremamente basse, fino a -269 °C, le sue stabili proprietà meccaniche possono comunque garantire l'affidabilità e l'integrità della struttura dell'apparecchiatura.

Analisi comparativa delle proprietà dei materiali

Dal confronto delle prestazioni, le leghe di cobalto presentano prestazioni eccezionali in termini di durezza, tenacità a bassa temperatura, resistenza alla corrosione e all'usura. La loro durezza a temperatura ambiente può raggiungere i 40-60 HRC, significativamente superiore a quella delle leghe di titanio e dell'acciaio inossidabile.

Per quanto riguarda la tenacità a bassa temperatura, le leghe di cobalto non presentano fenomeni di fragilità a -196℃, le leghe di titanio possono mantenere una certa plasticità a -253℃ e l'acciaio inossidabile comune è soggetto a fratture fragili a -196℃.

Le leghe di cobalto hanno un'eccellente resistenza alla corrosione da Cl⁻, le leghe di titanio hanno una buona resistenza agli agenti ossidanti e l'acciaio inossidabile deve essere passivato per migliorare la resistenza alla corrosione.

Per quanto riguarda la resistenza all'usura, le leghe di cobalto hanno prestazioni eccellenti grazie al rinforzo in carburo, le leghe di titanio hanno una resistenza all'usura moderata e si basano sul trattamento superficiale, mentre l'acciaio inossidabile ha una scarsa resistenza all'usura ed è soggetto a problemi di usura durante l'uso.