Când un element de încălzire electric din titan este scufundat într-o soluție de gravare cu clorură ferică (42 de grade Bé, 50 de grade), ce finisare a suprafeței (valoarea Ra) oferă cel mai lung timp de inducție pentru pitting?

Schimb-pentru finisarea suprafeței cu titan în serviciul cu clorură ferică Soluțiile de gravare cu clorură ferică (FeCl 3 ) sunt foarte oxidante și foarte corozive pentru majoritatea metalelor. Clorura ferică tipică este de 42 de grade Be (aproximativ 40% FeCl3). Motivul pentru care a fost ales titanul pentru rezistența la FeCl3 a fost stratul pasiv de TiO2. Cu toate acestea, distrugerea localizată a peliculei pasive are loc la defecte de suprafață la scară microscopică, incluziuni sau fisuri și se numește pitting. Lustruirea suprafeței, definită de rugozitatea medie Ra, afectează în mod direct numărul și dimensiunea site-urilor potențiale de nucleare cu pitting. Suprafața mai netedă (Ra scăzut) elimină micile fisuri și reduce numărul de locații în care se pot concentra ionii de clorură. Suprafața foarte netedă (Ra < 0,2 µm) necesită electrolustruire sau lustruire mecanică și crește cheltuielile. În lucrarea de față, a fost măsurată relația dintre valoarea Ra și timpul de inducție a pitting la 42 de grade Bé FeCl3 la 50 de grade și a fost identificat finisajul suprafeței care a dus la cel mai lung timp până la inițierea gropii. Efectele integrității mecanice: rugozitatea suprafeței și inițierea zâmbiței Pitting-ul titanului în soluția de clorură ferică inițiază în locurile în care stratul pasiv este cel mai slab sau unde fisurile facilitează acumularea de clorură. Într-o suprafață rugoasă (Ra > 1,0 µm), văile sunt ca microfisuri. Aceste jgheaburi sunt de obicei de 5-20 um lățimea și adâncimea este de ordinul valorii Ra. În aceste văi se acumulează ionii de clorură din cauza limitărilor de difuzie, iar pH-ul local scade din cauza hidrolizei clorurilor metalice care provoacă pitting. Pe o suprafață netedă (Ra < 0,4 µm) văile sunt puțin adânci (<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 luni, deoarece rugozitatea suprafeței și potențialul de pitting au o legătură exponențială. Suprafețele lustruite mecanic (Ra=0.2–0,6 µm) au perioade de inducție intermediare de 300–2000 de ore, potrivite pentru aplicații mai puțin solicitante. Electrolustruirea nu are o penalizare semnificativă la căldură. Specificați încălzitoare pentru gravarea cu clorură ferică cu finisaj electro-lustruit verificat Ra < 0,15 microni și pasivizare în acid azotic 20% după lustruire. Cu toate acestea, costul mai mare de finisare este compensat de evitarea dificultăților legate de sâmburi și de durata de viață mai lungă. Selectați finisajul de suprafață care este cel mai potrivit pentru timpul de funcționare estimat între intervalele de întreținere. Electrolustruirea este recomandată pentru orice aplicație care depășește 1.000 de ore.