Григорий Николаев - Металл Века

То, что так разрушает железо, — холод — титану нипочем. Большинство серийных титановых сплавов совершенно спокойно переносит температуру до минус 196 °С, некоторые свободно выдерживают температуру жидкого водорода (минус 253 °С), а учеными Института металлургии Академии наук СССР создан титановый сплав, который не разрушается даже в самой холодной жидкости мира ~ жидком гелии (температура минус 269 °С). Что такому хладостойкому материалу, как титан, 60—70 °С ниже нуля? Сущие пустяки.

Разработанные титановые сплавы предназначены для изготовления оборудования, работающего в районах Заполярья и Крайнего Севера. Детали экскаваторов, тракторов, бульдозеров, сделанные из таких сплавов, будут необычайно долговечными и по-настоящему надежными.

В северных нефтегазодобывающих районах нередко выходят из строя центробежные колеса магистральных газопроводов. Сделанные из титана, они станут безотказными.

Но холод далеко не всегда враг. Часто он крайне необходим. И холод научились получать искусственно: начиная с прошлого века стали создавать специальные устройства, вырабатывающие холод средь жаркого лета. Родилась холодильная техника. Мы хорошо знаем ее в быту: домашние холодильники — полноправные ее представители. Правда, это не те холодильники, в которых развиваются температуры в 100 °С и более ниже нуля, необходимые во многих областях техники, и в которых применяются титановые сплавы.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского института холодильного машиностроения, применение титановых сплавов для производства аммиачных компрессоров холодильных установок позволит создать машину лишь с одним агрегатом вместо двух и даст около 70 тысяч рублей годовой экономии по каждой установке. Из титана целесообразно изготовлять емкости для хранения и транспортировки жидкого гелия, водорода, азота. Кстати, температура жидкого азота (минус 196 °С) в технике низких температур является граничной. Она отделяет холодильную технику от криогенной.

Слово "криогенный” происходит от греческого ”криос” — холод. Но ведь холод — и 50, и 100, и 150 °С ниже нуля. Почему же возникла еще какая-то особая техника холода? Потому что многие вещества резко меняют свои физические свойства, если их охладить ниже температуры жидкого азота (ниже минус 196 °С).

Брусок свинца, например, обычно звучащий при ударе глухо вследствие своей мягкости, при криогенных, сверхнизких температурах твердеет и начинает звенеть. Сталь, которая никуда не годится уже в обычный сильный мороз, будучи охлажденной ниже 200 °С, рассыпается на осколки при малейшем ударе. У одних веществ резко возрастает теплопроводность, у других, напротив, падает. Значительно уменьшается электрическое сопротивление чистых металлов и сплавов.

Криогенные температуры начинаются с температуры жидкого азота. Но какого предела они достигают? Абсолютного нуля — минус 273,16 °С. Более низкой температуры в природе не бывает. Почему? Потому что именно при этой температуре молекулы прекращают свое движение, их кинетическая энергия равна нулю.

А ведь та или иная температура не что иное, как уровень кинетической энергии вещества.

Практически достичь абсолютного нуля невозможно, но можно максимально приблизиться к нему. Сейчас только сотые доли градуса отделяют исследователей от него. А температуры, отличающиеся от абсолютного нуля в несколько граду-

сов, были достигнуты еще в самом начале нашего века. Жидкий гелий имеет температуру минус 263—269 °С. Впервые его получил голландский физик Гейке Камерлинг-Оннес в 1911 году.

Вполне понятно, что, едва получив столь необычное вещество, голландский профессор принялся экспериментировать с ним. Один из опытов заключался в том, что ученый погружал в необычный гелий различные вещества и измерял их электросопротивление. При проведении именно этого опыта и было обнаружено явление, названное Камерлинг-Оннесом сверхпроводимостью.

Некоторые металлы, погруженные в жидкий гелий, совершенно утрачивали электрическое сопротивление. Происходило это скачком, резко, мгновенно. Вещества как бы становились совершенно другими, непохожими на себя. Сейчас установлено, что способностью к сверхпроводимости обладают 26 чистых металлов и большое количество сплавов и соединений. Среди них и титан, который как известно, обычно плохо проводит электрический ток.

В начале века сверхпроводимость не имела никакого практического значения, однако в наши дни она, как и вся криогенная техника, играет важную роль в дальнейшем научно-техническом прогрессе.

Большие успехи достигнуты в деле разработки быстродействующих сверхпроводящих переключателей, так называемых криотронов, предназначенных для использования в новейших электронно-вычислительных машинах. Прежде прогресс электроники связывали исключительно с полупроводниками, ныне — со сверхпроводниками.

Для накапливания энергии от маломощного источника тока с целью мгновенного ее разряда очень удобны сверхпроводящие соленоиды. С помощью сверхпроводников создают устройства для усиления сигналов. Широко изучается вопрос о возможности создания сверхпроводящих линий электропередач, кабели которых должны охлаждаться жидким гелием.

Западногерманская фирма ”АЭГ-Телефункен” провела сравнение технико-экономических показателей трех линий электропередач постоянного тока. При этом все три линии имели одинаковую электроизоляцию и один диаметр, различались только проводящими материалами. В одном случае это была чистая медь, нагретая до 70 градусов, в другом — чистый алюминий, охлажденный жидким водородом до минус 253 градусов, и, наконец, в третьем — сверхпроводящий сплав ниобий-титан, охлажденный жидким гелием. Оказалось, что кабели из сверхпроводящего сплава смогут передавать энергию, по мощности впятеро большую, чем медные и алюминиевые.

Эффективность таких сверхпроводящих линий тем выше, чем больше передаваемая мощность, поэтому они будут незаменимыми при передаче мощности 3000000 киловатт и выше. При передаче такой мощности стоимость оборудования и эксплуатации сверхпроводящего кабеля гораздо ниже стоимости обычных проводников.

Разрабатываются мощные турбогенераторы со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, охлаждаемой жидким гелием. Роторы таких турбогенераторов должны обладать не только высокой удельной прочностью и хорошей коррозионной стойкостью, но и хладостойкостью, низкой теплопроводностью, немагнитностью. Титановый сплав, созданный в Институте металлургии АН СССР, отвечает всем требованиям и сохраняет свою пластичность даже при температуре жидкого гелия. Испытания сплава подтвердили его полную пригодность как материала для роторов именно таких турбогенераторов.

Замечательные свойства титана — легкость, прочность, высокая стойкость против коррозионного разрушения — в полной мере проявляются при использовании нового промышленного металла не только в авиации, но и в наземных видах транспорта — на железных дорогах, в автомобилях, морских и речных судах.

О применении нового конструкционного материала в военно- морском флоте уже рассказывалось. Те же преимущества даст этот металл, если его использовать не только для военных кораблей, но и для нужд торгового и рыболовного флота. В результате повысятся дальность плавания и маневренность судов, будут значительно сэкономлены средства, затрачиваемые на ремонт материальной части и уход за нею. Корпуса судов, обшитые листами титана, совершенно не будут нуждаться в окраске. Высокая стойкость титановых сплавов в движущейся воде делает их наилучшим материалом для подводных крыльев и стоек.

В Институте проблем литья Академии наук УССР разработана технология изготовления керамических форм для получения крупногабаритных отливок из титановых сплавов. В этих формах изготовлены гребные винты для речных и морских судов.

Габариты винта достигают метра. Титановые винты обладают целым рядом преимуществ.

Лучшими материалами для гребных винтов считаются латунь и бронза, стойкие в морской воде, хотя ежегодно коррозия все равно проникает в глубь металла на несколько сотых долей миллиметра. Титан же не просто стоек в морской воде, он — абсолютно стоек, то есть, как уже говорилось об этом выше, практически не разрушается. В меньшей степени титан подвергается и кавитационному износу. Все это и обеспечивает высокий срок службы гребных винтов из титановых сплавов.

Мало того. Титановый винт имеет массу всего 40 килограммов, тогда как бронзовый — почти 80 и стоит к тому же в полтора раза дороже. Облегченный винт снижает центробежную нагрузку на вал и увеличивает моторесурс дизельного двигателя теплохода. Эксплуатация каждого титанового винта средних размеров дает общий экономический эффект 700 рублей.