Когато титанов електрически нагревателен елемент е потопен в разтвор за ецване на железен хлорид (42 градуса Bé, 50 градуса), какво покритие на повърхността (стойност Ra) осигурява най-дългото индукционно време за питинг?

Компромис-за титаниево покритие на повърхността при обслужване с железен хлорид Разтворите за ецване с железен хлорид (FeCl3) са силно окислителни и силно корозивни за повечето метали. Типичният железен хлорид е 42 градуса Be (приблизително 40% FeCl3). Причината титанът да бъде избран заради неговата устойчивост на FeCl3 е пасивният TiO2 слой. Локализираното разрушаване на пасивния филм обаче възниква при микромащабни повърхностни дефекти, включвания или пукнатини и се нарича питинг. Полирането на повърхността, определено от средната грапавост Ra, влияе пряко върху броя и размера на потенциалните места за нуклеация на питинг. По-гладка повърхност (нисък Ra) елиминира малки пукнатини и намалява броя на местата, където могат да се концентрират хлоридни йони. Много гладката повърхност (Ra < 0,2 µm) изисква електрополиране или механично полиране и увеличава разходите. В настоящата работа беше измерена връзката между стойността на Ra и времето за индуциране на питинг в 42 градуса Bé FeCl3 при 50 градуса и беше идентифицирано покритието на повърхността, което доведе до най-дългото време до иницииране на питинг. Ефекти от механичната цялост: грапавост на повърхността и започване на питинг Питинг на титан в разтвор на железен хлорид започва на места, където пасивното покритие е най-слабо или където пукнатините улесняват натрупването на хлорид. При грапава повърхност (Ra > 1,0 µm), вдлъбнатините приличат на микропукнатини. Тези корита обикновено са с ширина 5-20 um и дълбочината е от порядъка на стойността на Ra. В тези долини се натрупват хлоридни йони поради ограничения на дифузията и местното рН пада поради хидролиза на метални хлориди, което причинява питинг. На гладка повърхност (Ra < 0,4 µm) вдлъбнатините са плитки (<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 месеца, тъй като грапавостта на повърхността и потенциалът за питинг имат експоненциална връзка. Механично полираните повърхности (Ra=0.2–0,6 µm) имат междинни индукционни периоди от 300–2000 часа, подходящи за по-малко взискателни приложения. Електрополирането няма значителни топлинни загуби. Посочете нагреватели за ецване на железен хлорид с електрополирано повърхностно покритие Ra < 0,15 микрона и пасивиране в 20% азотна киселина след полиране. Въпреки това, по-високите разходи за довършителни работи се компенсират от избягването на трудности, свързани с питинг, и по-дългия експлоатационен живот. Изберете покритието на повърхността, което е най-подходящо за очакваното време на работа между интервалите за поддръжка. Електрополирането се препоръчва за всяко приложение над 1000 часа.