Kai titano elektrinis kaitinimo elementas panardinamas į geležies chlorido ėsdinimo tirpalą (42 laipsniai Bé, 50 laipsnių), kokia paviršiaus apdaila (Ra vertė) suteikia ilgiausią įdubimo laiką?

Pakeiskite-titano paviršiaus apdailą geležies chlorido paslauga Geležies chlorido (FeCl 3 ) ėsdinimo tirpalai labai oksiduoja ir ėsdina daugumą metalų. Tipiškas geležies chloridas yra 42 laipsnių Be (apie 40 % FeCl 3 ). Priežastis, kodėl titanas buvo pasirinktas dėl jo atsparumo FeCl3, buvo pasyvus TiO2 sluoksnis. Tačiau lokalus pasyviosios plėvelės sunaikinimas įvyksta esant mikroskopiniams paviršiaus defektams, inkliuzams ar įtrūkimams ir vadinamas duobėjimu. Paviršiaus poliravimas, apibrėžiamas vidutiniu šiurkštumu Ra, tiesiogiai veikia galimų duobių susidarymo vietų skaičių ir dydį. Lygesnis paviršius (mažas Ra) pašalina nedidelius įtrūkimus ir sumažina vietų, kuriose gali susikaupti chlorido jonai, skaičių. Labai lygus paviršius (Ra < 0,2 µm) reikalauja elektropoliravimo arba mechaninio poliravimo ir padidina išlaidas. Šiame darbe buvo išmatuotas ryšys tarp Ra vertės ir duobių atsiradimo laiko 42 laipsnių Bé FeCl3 esant 50 laipsnių kampui ir nustatyta paviršiaus apdaila, dėl kurios buvo ilgiausias laikas iki duobės atsiradimo. Mechaninio vientisumo poveikis: paviršiaus šiurkštumas ir duobių atsiradimas Titano duobės geležies chlorido tirpale prasideda tose vietose, kur pasyvioji danga yra silpniausia arba kur įtrūkimai palengvina chlorido kaupimąsi. Šiurkščiame paviršiuje (Ra > 1,0 µm) slėniai yra panašūs į mikro įtrūkimus. Šie loviai paprastai yra 5–20 um pločio, o gylis yra panašaus į Ra reikšmę. Šiuose slėniuose chlorido jonai kaupiasi dėl difuzijos apribojimų, o vietinis pH krenta dėl metalų chloridų hidrolizės, dėl kurios susidaro duobės. Ant lygaus paviršiaus (Ra < 0,4 µm) slėniai yra negilūs (<1 µm depth) and wide relative to their depth so that oxygen transport can retain the surface passive. Electrochemical studies in 42° Bé FeCl3 at 50°C indicated that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium rose with the decrease in surface roughness. Epit = + 0.65 V vs. Ag/AgCl for as-drawn surface (Ra = 1.5 μm). Epit = + 0.85 V for mechanical polished surface (Ra = 0.4 μm). E_pit =+ 0.95 V for electropolished surface (Ra = 0.1 µm) The open circuit potential in FeCl 3 is around +0.55 V. As-drawn surfaces are quite near the pitting potential. Electropolished surfaces provide a safety margin of 400 mV. The induction time, defined as the time from immersion till the first observable pitting, is exponentially dependent on the difference between Epit and the open circuit potential. An increase of 100 mV in E_pit increases the induction time by ~10. Thermal Performance: Effects of Surface Finish and Heat Transfer The surface finish does have an effect on heat transmission but it is secondary to pitting resistance. The real surface area of a rougher surface is larger (2 to 5 times of the predicted area for Ra = 1.5 µm, in general) which, in theory, improves heat transfer by increasing the contact area with the ferric chloride solution. However in reality the convective boundary layer thickness (often 50-200 $\mu$m) is much bigger than the roughness features and the heat transfer coefficient is mostly independent of Ra for roughness features below 5 $\mu$m. Electropolishing (Ra=0.1µm) reduces the real surface area by approx. 5% compared to a mechanically polished surface, with a minor (<<1%) decrease in heat transfer. So, there is no thermal penalty in specifying a smooth surface finish. Synthesis of the Trade-off: Pitting Induction Time Surface Finish Ra Value (µm) Method E_pit (V versus Ag/AgCl) Induction Time to First Pit (hours, 42° Bé FeCl3, 50°C) Relative Cost Index mill finish (as sketched) 1.2 – 1.8 None +0.65 V 20 – 40 hours 1.0x Pickled (acid descaled) 0.8 – 1.2 10% HNO3 + 2% HF dip +0.70 V 50 – 100 hrs 1.1× Mechanically polished (320 grit) 0.4 – 0.6 Belt or wheel polishing +0.80 V 300 – 500 hrs 1.5× Mechanical polishing (600 grit) 0.2 – 0.3 Fine abrasive polishing +0.88 V 2.0× 1,000 - 2,000 hrs Electro polished (bright) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V>5,000 Hrs. 2.5 times Results show that the pitting induction time for the electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) is > 5,000 hours (> 6 months of continuous operation) while the as-drawn surfaces pit within 1-2 days. The benefit is exponentially increased as Ra is decreased. Engineering After The Finish: Passivation & Post Polish Treatment Best pitting resistance is achieved by a nitric acid passivation stage (20% HNO 3 at 50°C for 30 minutes) after an electropolished surface. This processing results to a uniform defect-free TiO2 layer which is thicker and more stable than the natural passive film. Passivated electropolished titanium in service shows no pitting in 10,000 hours laboratory testing in ferric chloride. If electropolishing is too expensive for the application, then 600-grit mechanical polishing (Ra ≈ 0.25 µm) and passivation will offer an induction time of 1,000–2,000 hours which is adequate for many batch etching techniques where the heater is removed and cleaned between batches. The difficulty is to avoid surface impurities (iron particles, grease, or embedded abrasives) that can act as sites for pitting initiation. Conclusion: Electropolished (Ra ≤ 0.15 μm) Gives the Longest Induction Period Maximum induction time for pitting (> 5,000 hours continuous service) was observed for titanium electric heater immersed in 42° Bé ferric chloride etch solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. This is a major improvement over as drawn surfaces (Ra = 1.5 µm) from 1-2 days to >6 mėnesius, nes paviršiaus šiurkštumas ir duobėjimo potencialas turi eksponentinį ryšį. Mechaniškai poliruoti paviršiai (Ra=0.2–0,6 µm) turi tarpinius 300–2000 valandų indukcinius periodus, tinkami mažiau reiklioms reikmėms. Elektropoliravimas neturi didelės šilumos nuobaudos. Nurodykite geležies chlorido ėsdinimo šildytuvus su elektropoliruoto paviršiaus apdaila, patikrinta Ra < 0,15 mikrono ir pasyvumu 20% azoto rūgštyje po poliravimo. Tačiau didesnes apdailos išlaidas kompensuoja išvengimas su duobėmis susijusių sunkumų ir ilgesnis tarnavimo laikas. Pasirinkite paviršiaus apdailą, kuri labiausiai tinka numatomam veikimo laikui tarp priežiūros intervalų. Elektropoliravimas rekomenduojamas bet kokiam naudojimui, kuris viršija 1000 valandų.