Компромисс-по сравнению с титановой отделкой поверхности при работе с хлоридом железа
Травильные растворы хлорида железа (FeCl 3 ) являются сильно окисляющими и агрессивными по отношению к большинству металлов. Типичное хлорид железа имеет температуру 42 градуса Bé (около 40% FeCl 3 ). Титан был выбран из-за пассивного слоя TiO₂, который делает его устойчивым к FeCl₃. Однако питтинг – это локальное разрушение пассивного покрытия, обычно в результате поверхностных дефектов, включений или микромасштабных щелей. Качество поверхности, измеряемое средней шероховатостью Ra, оказывает прямое влияние на количество и размер возможных мест зарождения питтинга. Более гладкая поверхность (низкий Ra) удаляет микроскопические трещины и уменьшает количество мест концентрации хлорид-ионов. Очень гладкая поверхность (Ra < 0,2 мкм) требует электрополировки или механической полировки и увеличивает стоимость. Настоящее исследование определило корреляцию между значением Ra и временем индукции точечной коррозии при 42 градусах Bé FeCl3 при 50 градусах и установило качество поверхности, обеспечивающее максимальную продолжительность до появления язв.

Влияние на механическую целостность: возникновение точечной коррозии и шероховатость поверхности
Питтинг в растворе хлорида железа на титане начинается в местах, где пассивная пленка наиболее тонкая или где трещины позволяют накапливать хлорид. На шероховатой поверхности (Ra > 1,0 мкм) впадины имеют вид микротрещин. Эти впадины обычно имеют ширину 5–20 мкм, а глубина того же порядка, что и значение Ra. В этих долинах ионы хлорида накапливаются из-за диффузионных ограничений, а локальный pH снижается из-за гидролиза хлоридов металлов, что инициирует образование язв. На гладкой поверхности (Ra < 0,4 мкм) впадины неглубокие (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Тепловые характеристики: влияние качества поверхности и теплопередачи
Обработка поверхности также влияет на перенос тепла, но она является вторичной по сравнению с устойчивостью к точечной коррозии. Фактическая площадь более шероховатой поверхности больше (обычно в 2–5 раз превышает расчетную площадь для Ra=1.5 мкм), что теоретически увеличивает теплопередачу за счет увеличения площади контакта с раствором хлорида железа. Однако на самом деле толщина конвективного пограничного слоя (обычно 50–200 мкм) значительно превышает особенности шероховатости, поэтому коэффициент теплоотдачи практически не зависит от Ra для значений менее 5 мкм. Электрополировка (Ra=0.1мкм) уменьшает реальную площадь поверхности примерно на 5% по сравнению с механически полированной поверхностью, что приводит к минимальному (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Синтез компромиссного решения-: значение Ra и время индукции точечной коррозии
Шероховатость поверхности Значение Ra (мкм) Метод E_pit (V в зависимости от Ag/AgCl) Время индукции до первого углубления (часы, 42 градуса Bé FeCl3, 50 градусов) Коэффициент относительной стоимости
В -вытянутом состоянии (чистовая обработка) 1,2–1,8 Нет +0.65 В 20–40 часов 1,0× Травление (очистка кислотой) 0,8 – 1.2 10 % HNO₃ + 2 % HF погружение +0.70 В 50 – 100 часов 1,1× Механическая полировка (зернистость 320) 0,4 – 0,6 Полировка ленты или круга +0.80 В 300 – 500 часов 1,5×
Механическая полировка (зернистость 600) 0,2 – 0,3 Тонкая абразивная полировка+0.88 В 2,0× 1,000 - 2000 часов
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5000 часов. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 месяцев непрерывной эксплуатации), а на -вытянутых поверхностях появляются ямки в течение 1-2 дней. Улучшение растет экспоненциально по мере уменьшения Ra.

Проектирование после отделки: пассивация и обработка после-полировки
Для лучшей устойчивости к точечной коррозии электрополированная поверхность должна сопровождаться стадией пассивации азотной кислотой (20% HNO 3 при 50 градусах в течение 30 минут). Такая обработка приводит к образованию однородного, -бездефектного слоя TiO2, который толще и стабильнее, чем естественная пассивная пленка. Пассивированный электрополированный титан, эксплуатируемый в хлорном железе, не обнаруживает питтинговой коррозии после 10 000 часов лабораторных испытаний. Если электрополировка слишком дорога для данного применения, то механическая полировка зернистостью 600 (Ra ≈ 0,25 мкм) и пассивация дадут время индукции 1000–2000 часов, что подходит для многих процедур периодического травления, когда нагреватель снимается и очищается между партиями. Хитрость заключается в том, чтобы избегать поверхностных загрязнений (частиц железа, жира или внедренных абразивов), которые могут служить местами возникновения точечной коррозии.

Вывод: электрополировка (Ra меньше или равна 0,15 мкм) обеспечивает максимально длительное время индукции.
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 месяцев. Механически полированные поверхности (Ra=0.2–0,6 мкм) обеспечивают промежуточное время индукции 300–2000 часов, подходящее для менее требовательных применений. Электрополировка не имеет серьезных термических последствий. Укажите нагреватели для травления хлоридом железа с подтвержденной электрополированной поверхностью Ra менее или равной 0,15 мкм и пассивацией в 20% азотной кислоте после полировки. Однако повышенная стоимость отделки компенсируется отсутствием проблем, связанных с точечной коррозией, и более длительным сроком службы. Выберите подходящую обработку поверхности, исходя из предполагаемого времени непрерывной работы между интервалами технического обслуживания. При сроке службы более 1000 часов рекомендуется электрополировка.