Какво е максималното безопасно парциално налягане на кислорода (atm) в азотна обвивка над титаниев потопяем нагревател, работещ при 300 градуса в евтектична солна баня, за да се избегне ускорено нарастване на алфа-кутия?

Титаниеви потопяеми нагреватели са защитени от окисляване чрез азотна обвивка в евтектична солна баня при 300 градуса. Въпреки това, ако има наличен кислород в азотната обвивка, кислородът може да проникне в повърхността на титания и да образува обогатен с кислород алфа-слой. Този крехък слой намалява устойчивостта на умора и пластичността. Скоростта на нарастване на алфа-случая е параболична, като дълбочината е пропорционална на корен квадратен от времето, умножено по парциалното налягане на кислорода. Това е най-високото парциално налягане на кислорода, което може да се използва безопасно, за да се избегне ускорено нарастване на алфа-корпус (т.е. по-малко от 10 m алфа-корпус след 10 000 часа работа). Над това ниво скоростта на растеж на алфа-корпуса се увеличава бързо, причинявайки крехкост и ранна повреда.

Механизъм на образуване на алфа-корпус от кислород при 300 градуса

При 300 градуса кислородът дифундира интерстициално в титановата решетка, стабилизирайки алфа фазата. Слоят на алфа-корпуса е по-твърд, обикновено 300–500 HV в сравнение със 180–220 HV за основния метал и по същество е не-пластичен. Нарастването на алфа-случая се дава от уравнението d^2=k_p * t, където d е дълбочината на алфа-случая, k_p е константата на параболичната скорост и t е продължителността. Константата на скоростта kp е пропорционална на парциалното налягане на кислорода на степен 0,5. При парциални налягания на кислорода под критична стойност, скоростта на нарастване на алфа-случая е незначителна за практически експлоатационен живот. Над това ниво скоростта на растеж е висока и може да доведе до крехкост на тънкостенната нагревателна тръба за месеци.

Количествен алфа{0}}растеж спрямо парциалното налягане на кислорода при 300 градуса

Контролирани тестове с азот-кислородни комбинации при 300 градуса за 10 000 часа са установили алфа-дълбочина на израстъци за Ti-клас 2. При парциално налягане на кислорода от 0,0001 atm (0,01% кислород) алфа-случаят е само 2–5 µm дълбок и следователно незначителен и не влияе на механичните качества. Дълбочината е 5–10 µm при 0,0005 atm (0,05% кислород), което е приемливо за повечето приложения с запас на безопасност. При критичния праг от 0,001 atm (0,1% кислород) дълбочината на алфа-корпуса е 8-15 {micro}m след 10 000 часа, което е максимално допустимата граница. При 0,002 atm (0,2% кислород) дълбочината се увеличава до 15–25 µm и се наблюдава измерима загуба на пластичност. При 0,005 atm (0,5% кислород) дълбочината е 25-40 µm и се наблюдава значителна крехкост. 35–60 µm дълбочина на алфа корпуса при 0,01 atm (1% кислород) с напукване при термичен цикъл. При 0,1 atm (10% кислород, типично за въздуха) дълбочината е повече от 100 µm след 10 000 часа със силна крехкост.

Ефекти на температурата и времето на излагане върху кислородната толерантност

Безопасното парциално налягане на кислорода намалява рязко с температура. 8-15 µm alpha-дълбочина на корпуса след 10 000 часа при 300 градуса и 0,001 atm O2. При 350 градуса и същото налягане на O2 от 0,001 atm дълбочината се увеличава до 20–35 µm, което е над допустимата граница. При 300 C и 0,002 atm O 2 дълбочината е 15-25 um, отново над границата. Толерансите към кислород са по-високи при по-ниски температури, с дълбочина от 10 000 часа от само 5–10 µm при 250 градуса и 0,005 atm O2. По-високи нива на кислород могат да бъдат приемливи за експозиция по-малка от 10 000 часа. Максималното безопасно парциално налягане на кислорода по време на 1000 часа експозиция при 300 градуса се изкачва до 0,005 atm (0,5% кислород) с дълбочина на алфа корпуса от 5–10 μm.

Азотни одеяла Ръководство за контрол на парциалното налягане на кислорода

Следващата таблица представя препоръки за максимално допустимите парциални налягания на кислорода в азотните слоеве над титаниеви потопяеми нагреватели в евтектични солни бани при 300 градуса като функция на необходимия експлоатационен живот и допустимата алфа-дълбочина на корпуса.

Желан експлоатационен живот (часове) Максимално допустима алфа-дълбочина на корпуса (µm) Максимално безопасно парциално налягане на кислород (atm) Еквивалентна концентрация на кислород (%) Препоръчителна чистота на азот 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%
Инженерство отвъд парциалното налягане на контрола на кислорода

Класът на титана влияе върху кинетиката на производството на алфа-кутии. Степен 7 се държи по подобен начин на степен 2 в алфа-случая за същото парциално налягане на кислорода, тъй като паладият не променя значително дифузията на кислорода. Дебелината на стената предлага допуск за материал. Например стена от 2,0 mm с дълбочина на алфа-корпуса от 20 µm има 1,98 mm пластично ядро, което е приемливо, но 1,0 mm стена със същия alpha-корпус има само 0,98 mm пластично ядро, което може да е незначително. Трябва да се поддържа непрекъснато наблюдение на азотната обвивка, като се използва кислороден анализатор, настроен на аларма при 0,05% кислород (0,0005 atm), за да се осигури граница на безопасност под границата от 0,1%. Химическият състав на солената баня също може да повлияе на растежа на алфа-случая; хлоридните примеси в солта увеличават скоростта на транспортиране на кислород.

Информирана спецификация.

За титанов потопяем нагревател при 300 °C в евтектична солена баня с азотна обвивка, посочете максимално парциално налягане на кислорода от 0,001 atm (0,1 процента кислород) за живот от 10 000 часа. Мониторингът на кислорода в азотната обвивка трябва да бъде непрекъснат с аларма при 0,05% кислород и блокировка за прекъсване на нагревателя, ако кислородът е над 0,2%. Посочете азот с минимална чистота 99,9%, точка на оросяване под -60 градуса, за да осигурите сухота. Посочете 99,95% азот (0,05%O₂) за по-дълъг експлоатационен живот над 20 000 часа или инсталирайте система за поглъщане на кислород. По време на пускането в експлоатация е важно да се провери нивото на кислород върху повърхността на нагревателя, а не само на входа на подаването на газ, тъй като въздухът може да навлезе през уплътненията. За да се предотврати ускореното нарастване на алфа-корпуса и крехкостта на титаниеви нагреватели при високотемпературна солна баня, инженерът контролира парциалното налягане на кислорода до по-малко от 0,001 atm.