Каково максимальное безопасное парциальное давление кислорода (атм) в азотной среде над титановым погружным нагревателем, работающим при температуре 300 градусов в эвтектической соляной ванне, чтобы избежать ускоренного роста альфа-корпуса?

Титановые погружные нагреватели защищены от окисления азотной подушкой в ​​эвтектической соляной ванне при температуре 300 градусов. Однако, если кислород доступен в азотной подушке, кислород может проникнуть на поверхность титана и образовать обогащенный кислородом слой альфа-корпуса. Этот хрупкий слой снижает усталостную долговечность и пластичность. Скорость роста в случае альфа- является параболической, а глубина пропорциональна квадратному корню из времени, умноженному на парциальное давление кислорода. Это самое высокое парциальное давление кислорода, которое можно безопасно использовать, чтобы избежать ускоренного роста корпуса альфа-(т. е. менее 10 м корпуса альфа-после 10 000 часов работы). Выше этого уровня скорость роста альфа-корпуса быстро увеличивается, вызывая охрупчивание и ранний выход из строя.

Механизм формирования альфа-корпуса кислородом при 300 градусах

При температуре 300 градусов кислород диффундирует по междоузлиям в решетке титана, стабилизируя альфа-фазу. Слой альфа--корпуса тверже, обычно на 300–500 HV по сравнению с 180–220 HV для основного металла, и по существу не-пластичен. Рост случая альфа-задается уравнением d^2=k_p * t, где d — глубина случая альфа-, k_p — параболическая константа скорости, а t — продолжительность. Константа скорости kp пропорциональна парциальному давлению кислорода в степени 0,5. При парциальном давлении кислорода ниже критического значения скорость роста альфа-случая незначительна для практического срока службы. Выше этого уровня скорость роста высока и может привести к охрупчиванию тонкостенной нагревательной трубки за несколько месяцев.

Количественный рост альфа-корпуса в зависимости от парциального давления кислорода при 300 градусах

Контролируемые испытания с комбинациями азота-кислорода при 300 градусах в течение 10 000 часов установили глубину роста альфа-корпуса для Ti-класса 2. При парциальном давлении кислорода 0,0001 атм (0,01% кислорода) альфа-корпус имеет глубину всего 2–5 мкм и, следовательно, незначителен и не влияет на механические свойства. Глубина составляет 5–10 мкм при давлении 0,0005 атм (0,05 % кислорода), что приемлемо для большинства применений с запасом прочности. При критическом пороге 0,001 атм (0,1% кислорода) глубина альфа-корпуса составляет 8-15 {микро}м через 10 000 часов, что является максимально допустимым пределом. При давлении 0,002 атм (0,2% кислорода) глубина увеличивается до 15–25 мкм и наблюдается измеримая потеря пластичности. При 0,005 атм (0,5% кислорода) глубина составляет 25-40 мкм и наблюдается значительное охрупчивание. 35–60 мкм по глубине альфа-корпуса при 0,01 атм (1% кислорода) с растрескиванием при термоциклировании. При давлении 0,1 атм (10% кислорода, типичного для воздуха) глубина составляет более 100 мкм через 10 000 часов с сильным охрупчиванием.

Влияние температуры и времени воздействия на толерантность к кислороду

Безопасное парциальное давление кислорода резко снижается с увеличением температуры. 8-15 мкм альфа-глубины корпуса через 10 000 часов при 300 градусах и давлении O2 0,001 атм. При 350 градусах и том же давлении О2 0,001 атм глубина увеличивается до 20–35 мкм, что превышает допустимый предел. При 300 С и 0,002 атм О 2 глубина составляет 15-25 мкм, снова за пределом. Допуски по кислороду выше при более низких температурах: глубина в течение 10 000 часов составляет всего 5–10 мкм при 250 градусах и 0,005 атм O2. Более высокие уровни кислорода могут быть приемлемы при времени воздействия менее 10 000 часов. Максимальное безопасное парциальное давление кислорода в течение 1000 часов воздействия при температуре 300 градусов достигает 0,005 атм (0,5% кислорода) при глубине альфа-корпуса 5–10 мкм.

Азотные одеяла Руководство по контролю парциального давления кислорода

В следующей таблице представлены рекомендации по максимально допустимому парциальному давлению кислорода в азотных подушках над титановыми погружными нагревателями в эвтектических соляных ваннах при температуре 300 градусов в зависимости от требуемого срока службы и допустимой глубины альфа-корпуса.

Желаемый срок службы (часы) Максимально допустимая глубина корпуса Alpha- (мкм) Максимальное безопасное парциальное давление кислорода (атм) Эквивалентная концентрация кислорода (%) Рекомендуемая чистота азота 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9% 20,000 15 0.0005 0.05% 99,95% 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Инженерное дело за пределами контроля парциального давления кислорода

Марка титана влияет на кинетику производства альфа-корпусов. Степень 7 ведет себя аналогично степени 2 в случае альфа-при том же парциальном давлении кислорода, поскольку палладий существенно не меняет диффузию кислорода. Толщина стенок предполагает припуск на материал. Например, стенка толщиной 2,0 мм с толщиной корпуса альфа- 20 мкм имеет пластичный сердечник толщиной 1,98 мм, что является приемлемым, а стенка толщиной 1,0 мм с тем же корпусом альфа- имеет только 0,98 мм пластичного сердечника, что может быть предельным. Следует поддерживать постоянный контроль азотной подушки с помощью анализатора кислорода, настроенного на сигнализацию при 0,05% кислорода (0,0005 атм), чтобы обеспечить запас безопасности ниже предела 0,1%. Химия соляной ванны также может повлиять на рост альфа-корпуса; примеси хлоридов в соли увеличивают скорость транспорта кислорода.

Информированная спецификация.

Для титанового погружного нагревателя при температуре 300 градусов Цельсия в эвтектической соляной ванне с азотной подушкой укажите максимальное парциальное давление кислорода 0,001 атм (0,1 процента кислорода) на срок службы 10 000 часов. Мониторинг кислорода в азотной подушке должен быть непрерывным с сигнализацией при 0,05% кислорода и блокировкой для отключения нагревателя, если содержание кислорода превышает 0,2%. Укажите азот минимальной чистоты 99,9 %, точку росы ниже -60 градусов, чтобы обеспечить сухость. Укажите содержание азота 99,95 % (0,05 % O₂) для увеличения срока службы более 20 000 часов или установите систему поглощения кислорода. При вводе в эксплуатацию важно проверять уровень кислорода на поверхности нагревателя, а не только на входе подачи газа, так как воздух может попасть через уплотнения. Чтобы предотвратить ускоренный рост альфа-корпуса и охрупчивание титановых нагревателей при эксплуатации в соляных ваннах при высоких температурах, инженер контролирует парциальное давление кислорода менее 0,001 атм.