Когда титановый электрический нагревательный элемент погружен в раствор для травления хлорида железа (42 градуса по Bé, 50 градусов), какое качество поверхности (значение Ra) обеспечивает наибольшее время индукции питтинга?

Компромисс-для отделки поверхности титана при использовании хлорида железа. Травильные растворы хлорида железа (FeCl 3 ) сильно окисляют и вызывают сильную коррозию большинства металлов. Типичное хлорид железа имеет температуру 42 градуса Be (приблизительно 40% FeCl 3 ). Причиной выбора титана из-за его устойчивости к FeCl3 стал пассивный слой TiO2. Однако локальное разрушение пассивной пленки происходит при микромасштабных поверхностных дефектах, включениях или трещинах и называется питтингом. Полировка поверхности, определяемая средней шероховатостью Ra, напрямую влияет на количество и размер потенциальных мест зарождения питтинга. Более гладкая поверхность (низкий Ra) устраняет мелкие трещины и уменьшает количество мест, где могут концентрироваться ионы хлорида. Очень гладкая поверхность (Ra < 0,2 мкм) требует электрополировки или механической полировки и увеличивает затраты. В настоящей работе была измерена взаимосвязь между значением Ra и временем индукции питтинга при 42 градусах Bé FeCl3 при 50 градусах и была определена обработка поверхности, которая привела к самому длительному времени до возникновения питтинга. Влияние механической целостности: шероховатость поверхности и возникновение питтинга. Питтинг титана в растворе хлорида железа начинается в местах, где пассивное покрытие наиболее слабое или где трещины способствуют накоплению хлорида. На шероховатой поверхности (Ra > 1,0 мкм) впадины имеют вид микротрещин. Эти впадины обычно имеют ширину 5-20 мкм, а глубина порядка значения Ra. В этих долинах ионы хлорида накапливаются из-за ограничений диффузии и локального падения pH из-за гидролиза хлоридов металлов, что вызывает образование язв. На гладкой поверхности (Ra < 0,4 мкм) впадины неглубокие (<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 месяцев, поскольку шероховатость поверхности и вероятность точечной коррозии имеют экспоненциальную зависимость. Механически полированные поверхности (Ra=0.2–0,6 мкм) имеют промежуточный период индукции 300–2000 часов и подходят для менее требовательных применений. Электрополировка не имеет значительных тепловых потерь. Укажите нагреватели для травления хлоридом железа с подтвержденной электрополированной поверхностью Ra < 0,15 микрон и пассивацией в 20% азотной кислоте после полировки. Однако более высокая стоимость отделки компенсируется отсутствием проблем, связанных с точечной коррозией, и более длительным сроком службы. Выберите обработку поверхности, наиболее подходящую для ожидаемого времени работы между интервалами технического обслуживания. Электрополировка рекомендуется для любого применения, превышающего 1000 часов.