Băile de gravare chimică pentru titan și oțel inoxidabil conțin de obicei un amestec de acid fluorhidric (HF) și acid azotic (HNO₃). HF asigură dizolvarea agresivă a metalelor de bază, în timp ce HNO₃ acționează ca un agent de oxidare pentru a controla vitezele de reacție și pentru a îmbunătăți finisarea suprafeței. O formulare comună este 10% HF + 20% HNO₃ în apă, care funcționează la 25-40 de grade. Titanul de gradul 2, în ciuda rezistenței sale excelente la coroziune în multe medii, se dizolvă rapid în soluțiile de rulmenți HF-. Ionii de fluor se complexează cu ionii de titan și previne formarea peliculei pasive. Într-o baie de gravare tipică, titanul de gradul 2 pierde 0,5-1,0 mm din grosimea peretelui pe oră, ceea ce duce la perforarea completă a unui tub standard de 1,2 mm în 2-3 ore. Pentru a supraviețui peste 48 de ore de expunere cumulativă, trebuie selectat un alt material-fie un aliaj de titan specializat, fie un metal alternativ-.

Mecanismul atacului rapid cu titan de gradul 2 în amestecuri HF/HNO₃

În soluțiile care conțin HF-, pelicula pasivă de TiO₂ se dizolvă instantaneu: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Fără peliculă de protecție, metalul de titan subiacent se corodează activ. Acidul azotic din amestec nu reactivează titanul, deoarece ionii de fluorură îndepărtează continuu orice oxid care se formează. Reacția de coroziune este uniformă și rapidă: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Reacția de degajare a hidrogenului este accelerată și de HF. Rezultatul este o rată liniară de pierdere a materialului fără perioadă de incubație. Titanul de gradul 2, gradul 7 și gradul 12 conțin toate titanul ca metal de bază, astfel încât toate suferă rate de atac similare în amestecurile HF/HNO₃.

Performanța gradelor alternative de titan în HF/HNO₃

Testarea de imersie controlată în 10% HF + 20% HNO₃ la 30 de grade a stabilit următoarele rate de coroziune:

Gradul 2 (pur din punct de vedere comercial): Rata de coroziune de 0,8 mm pe oră. 1.2 mm tub perforat în 1,5 ore. Nu se potrivește în afara încălzitoarelor de unică-utilizare.

Gradul 7 (Ti-0,15Pd): Rata de coroziune de 0,7 mm pe oră. Paladiul nu oferă niciun beneficiu deoarece cataliza metalelor nobile necesită o peliculă pasivă intactă, care este absentă. Similar cu clasa a 2-a.

Gradul 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Rata de coroziune de 0,6 mm pe oră. Adăugările de molibden și nichel oferă o îmbunătățire marginală, dar insuficientă pentru supraviețuirea la 48 de ore.

Gradul 5 (Ti-6Al-4V): Rata de coroziune de 0,5 mm pe oră. Microstructura alfa-beta se dizolvă preferenţial la graniţele fazei beta, ducând la atacul intergranular. Nerecomandat.

Selectare alternativă de metal pentru serviciul HF/HNO₃

Următorul tabel oferă o comparație a metalelor alternative care pot supraviețui 48 de ore sau mai mult în băile de gravare HF/HNO₃:

Ghid practic de selecție pentru cerințele de supraviețuire de 48 de ore

Pentru un încălzitor care trebuie să supraviețuiască 48 de ore cumulate de imersie într-o baie de gravare HF/HNO₃, materialul trebuie să aibă o rată de coroziune sub aproximativ 0,03 mm pe oră (0,03 mm/h × 48 h=1.44 mm penetrare). Doar tantalul, zirconiul și PTFE îndeplinesc această cerință:

Tantal: Cea mai bună rezistență generală la coroziune. Formează o peliculă stabilă de Ta₂O₅ care rezistă la HF până la concentrații de 60% sub 50 de grade. Temperatura maxima de functionare de 150 de grade. Cost ridicat, dar oferă decenii de servicii. Sudabil și fabricabil.

zirconiu: alternativă excelentă cu costuri mai mici. Rezistă la HF prin formarea unei pelicule de ZrO₂ care este mai stabilă decât TiO₂ în medii cu fluorură. Concentrație maximă de HF de 50% la 30 de grade. Susceptibil la sâmburi dacă concentrația de acid azotic scade sub 10%.

PTFE (politetrafluoretilenă): inert din punct de vedere chimic la amestecurile HF/HNO₃. Folosit ca căptușeală peste un substrat metalic (de obicei oțel carbon sau titan pentru suport structural). Temperatura maxima de functionare de 200 de grade. Conductivitatea termică este foarte scăzută (0,25 W/m·K față de . 21 W/m·K pentru titan), astfel încât încălzitoarele necesită o suprafață mult mai mare.

Realizarea unei specificații informate

Când specificați un încălzitor pentru o baie de gravare HF/HNO₃ care necesită supraviețuire peste 48 de ore, nu selectați nicio calitate de titan. Clasele 2, 7 și 12 eșuează în câteva ore. Pentru aplicațiile în care costul este secundar și fiabilitatea este primordială, specificați un încălzitor de imersie cu tantal solid. Pentru aplicații mai sensibile la cost-, specificați un încălzitor cu zirconiu cu grosimea peretelui de minim 2,0 mm. Pentru opțiunea cu cel mai mic cost care realizează încă 48-ore de supraviețuire, specificați un încălzitor din titan cu manta de PTFE, unde PTFE oferă rezistență chimică (0,5–1,0 mm grosime), iar titanul oferă suport structural. Solicitați de la furnizor certificate de testare la coroziune în raportul HF/HNO₃ specific și temperatura băii prevăzute. În timpul funcționării, monitorizați zilnic concentrația de HF; o creștere peste 15% HF crește rata de coroziune a zirconiului cu un factor de 10. Prin selectarea unui metal alternativ, în loc să încerce să modifice gradele de titan, inginerul asigură performanțe fiabile ale încălzitorului într-unul dintre puținele medii în care titanul este în mod fundamental nepotrivit.