Компромис-за титаниево покритие на повърхността в услугата железен хлорид
Разтворите за ецване на железен хлорид (FeCl3) са силно окислителни и агресивни за повечето метали. Типичният железен хлорид е 42 градуса Bé (около 40% FeCl3). Титанът е избран заради пасивния TiO₂ слой, който го прави устойчив на FeCl3. Въпреки това питингът е локално разрушаване на пасивното покритие, обикновено при повърхностни дефекти, включвания или пукнатини на микромащаб. Повърхностното покритие, измерено чрез средната грапавост Ra, има пряко влияние върху количеството и размера на възможните места за започване на питинг. По-гладка повърхност (нисък Ra) премахва микроскопичните пукнатини и намалява броя на местата за концентрация на хлоридни йони. Силно гладка повърхност (Ra < 0,2 µm) изисква електрополиране или механично полиране и добавя разходи. Настоящото проучване определи корелацията между стойността на Ra и времето за индукция на питинг в 42 градуса Bé FeCl3 при 50 градуса и установи покритието на повърхността, което осигурява максималната продължителност преди започване на питинг.

Въздействия върху механичната цялост: Започване на питинг и грапавост на повърхността
Питинг в разтвор на железен хлорид върху титан започва на места, където пасивният филм е най-тънък или където пукнатините позволяват натрупване на хлорид. При грапава повърхност (Ra > 1,0 µm) вдлъбнатините са като микропукнатини. Тези корита обикновено са с ширина 5–20 µm и дълбочината е от същия порядък като стойността на Ra. В тези долини се натрупват хлоридни йони поради дифузионни ограничения и местното рН намалява поради хидролиза на метални хлориди, което инициира питинг. На гладка повърхност (Ra < 0,4 µm) вдлъбнатините са плитки (<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.

Топлинна производителност: Ефект от покритието на повърхността и преноса на топлина
Повърхностното покритие също има ефект върху преноса на топлина, но е вторично спрямо устойчивостта на питинг. Действителната повърхностна площ на по-грапава повърхност е по-голяма (2 до 5 пъти проектираната площ за Ra=1.5 µm, като цяло), което на теория подобрява преноса на топлина чрез увеличаване на контактната площ с разтвора на железен хлорид. Всъщност обаче дебелината на конвективния граничен слой (обикновено 50–200 µm) е значително по-голяма от характеристиките на грапавостта и следователно коефициентът на топлопреминаване е почти независим от Ra за стойности под 5 µm. Електрополирането (Ra=0.1µm) намалява реалната повърхностна площ с ~5% спрямо механично полирана повърхност, което води до минимално (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Синтез на компромиса-: Стойност Ra срещу време на индукция на питинг
Повърхностно покритие Ra Стойност (µm) Метод E_pit (V спрямо Ag/AgCl) Индукционно време до първата ямка (часове, 42 градуса Bé FeCl3, 50 градуса ) Относителен разходен фактор
Както-изтеглен (мелнично покритие) 1,2 – 1,8 Няма +0.65 V 20 – 40 часа 1,0× Мариновано (декалцирано с киселина) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF потапяне +0.70 V 50 – 100 часа 1,1× Механично полирано (320 песъчинки) 0,4 – 0,6 Полиране на колан или колело +0.80 V 300 – 500 часа 1,5 ×
Механично полиране (600 песъчинки) 0,2 – 0,3 Фино абразивно полиране+0.88 V 2,0× 1,000 - 2,000 часа
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5000 часа. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 месеца непрекъсната работа), докато -изтеглените повърхности се изправят в рамките на 1-2 дни. Подобрението нараства експоненциално с намаляване на Ra.

Инженеринг след финала: Пасивиране и обработка след{0}}полиране
За най-добра устойчивост на питинг, електрополирана повърхност трябва да бъде последвана от етап на пасивиране с азотна киселина (20% HNO 3 при 50 градуса за 30 минути). Тази обработка води до хомогенен слой TiO2 без-дефекти, който е по-дебел и по-стабилен от естествения пасивен филм. Пасивираният електрополиран титан при работа в железен хлорид не показва точкова кора след 10 000 часа лабораторни тестове. Ако електрополирането е твърде скъпо за приложението, тогава механичното полиране с 600 песъчинки (Ra ≈ 0,25 µm) и пасивирането ще дадат индукционно време от 1000–2000 часа, което е подходящо за много партидни процедури за ецване, при които нагревателят се отстранява и почиства между партидите. Номерът е да се избягват повърхностни замърсители (железни частици, грес или вградени абразиви), които могат да послужат като места за иницииране на питинг.

Заключение: Електрополиран (Ra по-малък или равен на 0,15 μm) предлага най-дълго време за индукция
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 месеца. Механично полираните повърхности (Ra=0.2–0,6 µm) водят до междинни времена на индукция от 300–2000 часа, подходящи за по-малко взискателни приложения. Електрополирането няма важно термично наказание. Посочете нагреватели за ецване на железен хлорид с проверено електрополирано повърхностно покритие Ra По-малко или равно на 0,15 μm и пасивиране в 20% азотна киселина след полиране. Но увеличените разходи за довършителни работи се компенсират от избягването на проблеми, свързани-с питинг, и по-дългия експлоатационен живот. Изберете подходящото повърхностно покритие въз основа на очакваното непрекъснато време на работа между интервалите на поддръжка. За всяко приложение над 1000 часа се препоръчва електрополиране.