Khi một bộ phận làm nóng bằng điện bằng Titan được ngâm trong dung dịch khắc axit clorua sắt (42 độ Bé, 50 độ), Độ hoàn thiện bề mặt nào (Giá trị Ra) mang lại thời gian cảm ứng lâu nhất cho quá trình rỗ?

Sự đánh đổi-để có được lớp hoàn thiện bề mặt Titan trong dịch vụ clorua sắt Dung dịch ăn mòn clorua sắt (FeCl 3 ) có tính oxy hóa cao và ăn mòn cao đối với hầu hết các kim loại. Clorua sắt điển hình là 42 độ Be (khoảng 40% FeCl 3 ). Lý do titan được chọn vì khả năng kháng FeCl3 là do lớp TiO2 thụ động. Tuy nhiên, sự phá hủy cục bộ của màng thụ động xảy ra ở các khuyết tật bề mặt vi mô, tạp chất hoặc vết nứt và được gọi là rỗ. Độ bóng bề mặt, được xác định bởi độ nhám trung bình Ra, ảnh hưởng trực tiếp đến số lượng và kích thước của các vị trí tạo mầm rỗ tiềm năng. Bề mặt mịn hơn (Ra thấp) giúp loại bỏ các vết nứt nhỏ và giảm số lượng vị trí mà ion clorua có thể tập trung. Bề mặt rất mịn (Ra < 0,2 µm) đòi hỏi phải đánh bóng bằng điện hoặc đánh bóng cơ học và làm tăng chi phí. Trong nghiên cứu hiện tại, mối quan hệ giữa giá trị Ra và thời gian cảm ứng rỗ ở 42 độ BéFeCl3 ở 50 độ đã được đo và xác định độ hoàn thiện bề mặt dẫn đến thời gian bắt đầu rỗ lâu nhất. Ảnh hưởng của tính toàn vẹn cơ học: Độ nhám bề mặt và sự bắt đầu rỗ Quá trình rỗ titan trong dung dịch clorua sắt bắt đầu tại các vị trí mà lớp phủ thụ động yếu nhất hoặc nơi các vết nứt tạo điều kiện cho sự tích tụ clorua. Ở bề mặt gồ ghề (Ra > 1,0 µm), các thung lũng giống như các khe nứt vi mô. Những máng này thường có chiều rộng 5-20 um và độ sâu vào khoảng giá trị Ra. Trong các thung lũng này, các ion clorua được tích lũy do hạn chế khuếch tán và độ pH cục bộ giảm do quá trình thủy phân clorua kim loại gây ra hiện tượng rỗ. Trên bề mặt nhẵn (Ra < 0,4 µm) các thung lũng nông (<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 tháng, vì độ nhám bề mặt và khả năng rỗ có mối liên hệ theo cấp số nhân. Các bề mặt được đánh bóng cơ học (Ra=0.2–0,6 µm) có thời gian cảm ứng trung gian từ 300–2000 giờ, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi ít yêu cầu hơn. Đánh bóng bằng điện không có hiện tượng phạt nhiệt đáng kể. Chỉ định bộ gia nhiệt để khắc clorua sắt với bề mặt được đánh bóng bằng điện đã được xác minh Ra < 0,15 micron và thụ động trong axit nitric 20% sau đánh bóng. Tuy nhiên, chi phí hoàn thiện cao hơn được bù đắp bằng việc tránh được những khó khăn liên quan đến rỗ và tuổi thọ dài hơn. Chọn lớp hoàn thiện bề mặt phù hợp nhất với thời gian vận hành dự kiến ​​giữa các khoảng thời gian bảo trì. Nên đánh bóng bằng điện cho bất kỳ ứng dụng nào có thời gian sử dụng trên 1.000 giờ.