Kąpiele do trawienia chemicznego tytanu i stali nierdzewnej zazwyczaj zawierają mieszaninę kwasu fluorowodorowego (HF) i kwasu azotowego (HNO₃). HF zapewnia agresywne rozpuszczanie metali nieszlachetnych, podczas gdy HNO₃ działa jako środek utleniający, kontrolujący szybkość reakcji i poprawiający wykończenie powierzchni. Typowym preparatem jest 10% HF + 20% HNO₃ w wodzie, działający w temperaturze 25–40 stopni. Tytan klasy 2, pomimo doskonałej odporności na korozję w wielu środowiskach, szybko rozpuszcza się w roztworach łożyskowych HF-. Jony fluorkowe łączą się z jonami tytanu i zapobiegają tworzeniu się pasywnej warstwy. W typowej kąpieli trawiącej tytan stopnia 2 traci 0,5–1,0 mm grubości ścianki na godzinę, co prowadzi do całkowitej perforacji standardowej rurki o średnicy 1,2 mm w ciągu 2–3 godzin. Aby przetrwać ponad 48 godzin łącznej ekspozycji, należy wybrać inny materiał-albo specjalistyczny stop tytanu, albo alternatywny metal-.

Mechanizm szybkiego ataku tytanu stopnia 2 w mieszaninach HF/HNO₃

W roztworach zawierających HF-pasywna warstwa TiO₂ rozpuszcza się natychmiast: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Bez warstwy ochronnej znajdujący się pod spodem tytan metaliczny aktywnie koroduje. Kwas azotowy w mieszaninie nie powoduje ponownej pasywacji tytanu, ponieważ jony fluorkowe w sposób ciągły usuwają powstający tlenek. Reakcja korozji jest jednolita i szybka: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Reakcja wydzielania wodoru jest również przyspieszana przez HF. Rezultatem jest liniowy współczynnik utraty materiału bez okresu inkubacji. Tytan klasy 2, 7 i 12 zawiera tytan jako metal nieszlachetny, więc wszystkie charakteryzują się podobnym współczynnikiem ataku w mieszaninach HF/HNO₃.

Wydajność alternatywnych gatunków tytanu w HF/HNO₃

Kontrolowane badanie zanurzeniowe w 10% HF + 20% HNO₃ w temperaturze 30 stopni ustaliło następujące szybkości korozji:

Stopień 2 (czysty komercyjnie): Szybkość korozji 0,8 mm na godzinę. 1.2 mm rury perforowanej w ciągu 1,5 godziny. Nieodpowiednie poza jednorazowymi podgrzewaczami-do jednorazowego użytku.

Klasa 7 (Ti-0,15Pd): Szybkość korozji 0,7 mm na godzinę. Pallad nie zapewnia żadnych korzyści, ponieważ kataliza metalem szlachetnym wymaga nienaruszonej warstwy pasywnej, która jest nieobecna. Podobnie jak w klasie 2.

Klasa 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Szybkość korozji 0,6 mm na godzinę. Dodatki molibdenu i niklu zapewniają marginalną poprawę, ale niewystarczającą do 48-godzinnego przeżycia.

Klasa 5 (Ti-6Al-4V): Szybkość korozji 0,5 mm na godzinę. Mikrostruktura alfa-beta rozpuszcza się preferencyjnie na granicach faz beta, co prowadzi do ataku międzykrystalicznego. Niezalecane.

Wybór alternatywnego metalu dla usługi HF/HNO₃

Poniższa tabela przedstawia porównanie alternatywnych metali, które mogą przetrwać 48 godzin lub więcej w kąpielach trawiących HF/HNO₃:

Praktyczny przewodnik doboru w przypadku wymogu 48-godzinnego przeżycia

W przypadku grzejnika, który musi przetrwać łącznie 48 godzin zanurzenia w kąpieli trawiącej HF/HNO₃, szybkość korozji materiału musi wynosić poniżej około 0,03 mm na godzinę (przenikanie 0,03 mm/godz. × 48 godz.=1.44 mm). Tylko tantal, cyrkon i PTFE spełniają ten wymóg:

Tantal: Najlepsza ogólna odporność na korozję. Tworzy stabilną warstwę Ta₂O₅ odporną na HF do stężeń 60% poniżej 50 stopni. Maksymalna temperatura pracy 150 stopni. Wysoki koszt, ale zapewnia dziesięciolecia usług. Możliwość spawania i obróbki.

Cyrkon: Doskonała alternatywa przy niższych kosztach. Jest odporny na HF, tworząc warstwę ZrO₂, która jest bardziej stabilna niż TiO₂ w środowisku fluorkowym. Maksymalne stężenie HF 50% przy 30 stopniach. Podatny na wżery, jeśli stężenie kwasu azotowego spadnie poniżej 10%.

PTFE (politetrafluoroetylen): Chemicznie obojętny na mieszaniny HF/HNO₃. Stosowany jako wykładzina na podłożu metalowym (zwykle stal węglowa lub tytan w celu wsparcia konstrukcyjnego). Maksymalna temperatura pracy 200 stopni. Przewodność cieplna jest bardzo niska (0,25 W/m·K w porównaniu do. 21 W/m·K w przypadku tytanu), więc grzejniki wymagają znacznie większej powierzchni.

Sporządzanie świadomej specyfikacji

Wybierając grzejnik do kąpieli trawiącej HF/HNO₃ wymagającej trwałości powyżej 48 godzin, nie należy wybierać żadnego gatunku tytanu. Klasy 2, 7 i 12 kończą się niepowodzeniem w ciągu kilku godzin. W przypadku zastosowań, w których koszt jest sprawą drugorzędną, a niezawodność jest najważniejsza, należy wybrać grzałkę zanurzeniową z litego tantalu. W przypadku zastosowań wrażliwych-na koszty należy wybrać grzejnik cyrkonowy o grubości ścianki co najmniej 2,0 mm. Aby uzyskać najtańszą opcję, która nadal zapewnia 48-godzin trwałości, wybierz grzejnik tytanowy z płaszczem PTFE, w którym PTFE zapewnia odporność chemiczną (grubość 0,5–1,0 mm), a tytan zapewnia wsparcie strukturalne. Poproś dostawcę o certyfikaty testów korozyjnych dla określonego stosunku HF/HNO₃ i temperatury planowanej kąpieli. Podczas pracy należy codziennie monitorować stężenie HF; wzrost powyżej 15% HF zwiększa szybkość korozji cyrkonu 10-krotnie. Wybierając alternatywny metal zamiast próbować modyfikować gatunki tytanu, inżynier zapewnia niezawodne działanie grzejnika w jednym z niewielu środowisk, w których tytan jest zasadniczo nieodpowiedni.