Jakie jest maksymalne bezpieczne ciśnienie cząstkowe tlenu (atm) w płaszczu azotowym nad tytanową grzałką zanurzeniową pracującą w temperaturze 300 stopni w kąpieli eutektycznej w soli, aby uniknąć przyspieszonego wzrostu obudowy alfa-?

Tytanowe grzałki zanurzeniowe są chronione przed utlenianiem za pomocą płaszcza azotowego w kąpieli z solą eutektyczną w temperaturze 300 stopni. Jeśli jednak w osłonie azotu dostępny jest tlen, tlen może przedostać się do powierzchni tytanu i utworzyć wzbogaconą w tlen warstwę alfa-. Ta krucha warstwa zmniejsza trwałość zmęczeniową i plastyczność. Tempo wzrostu przypadku alfa-jest paraboliczne, a głębokość jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego czasu pomnożonego przez ciśnienie parcjalne tlenu. Jest to najwyższe ciśnienie cząstkowe tlenu, jakie można bezpiecznie zastosować, aby uniknąć przyspieszonego wzrostu obudowy alfa-(tj. mniej niż 10 m obudowy alfa-po 10 000 godzin pracy). Powyżej tego poziomu tempo wzrostu-fazy alfa gwałtownie wzrasta, powodując kruchość i wczesną awarię.

Mechanizm powstawania-obudowy alfa pod wpływem tlenu w temperaturze 300 stopni

W temperaturze 300 stopni tlen dyfunduje śródmiąższowo w sieci tytanowej, stabilizując fazę alfa. Warstwa obudowy alfa-jest twardsza, zwykle 300–500 HV w porównaniu do 180–220 HV w przypadku metalu nieszlachetnego i zasadniczo nie jest-ciągliwa. Wzrost przypadku alfa-jest określony równaniem d^2=k_p * t, gdzie d to głębokość przypadku alfa-, k_p to paraboliczna stała szybkości, a t to czas trwania. Stała szybkości kp jest proporcjonalna do ciśnienia cząstkowego tlenu do potęgi 0,5. Przy ciśnieniu parcjalnym tlenu poniżej wartości krytycznej tempo wzrostu przypadku alfa-jest pomijalne w praktycznym okresie użytkowania. Powyżej tego poziomu tempo wzrostu jest wysokie i może prowadzić do kruchości cienkościennej rury grzejnej w ciągu kilku miesięcy.

Ilościowy wzrost alfa-w funkcji ciśnienia parcjalnego tlenu w temperaturze 300 stopni

Kontrolowane testy z kombinacjami azotu-tlenu w temperaturze 300 stopni przez 10 000 godzin ustaliły głębokość wzrostu-obudowy alfa dla Ti-klasy 2. Przy ciśnieniu parcjalnym tlenu wynoszącym 0,0001 atm (0,01% tlenu) obudowa alfa- ma głębokość zaledwie 2–5 µm, a zatem jest nieistotna i nie wpływa na właściwości mechaniczne. Głębokość wynosi 5–10 µm przy 0,0005 atm (0,05% tlenu), co jest akceptowalne w większości zastosowań z marginesem bezpieczeństwa. Przy krytycznym progu 0,001 atm (0,1% tlenu) głębokość obudowy alfa- wynosi 8-15 {mikro}m po 10 000 godzin, co stanowi maksymalny dozwolony limit. Przy ciśnieniu 0,002 atm (0,2% tlenu) głębokość wzrasta do 15–25 µm i obserwuje się mierzalną utratę plastyczności. Przy 0,005 atm (0,5% tlenu) głębokość wynosi 25-40 µm i obserwuje się znaczną kruchość. 35–60 µm głębokości obudowy alfa przy 0,01 atm (1% tlenu) z pękaniem pod wpływem cykli termicznych. Przy ciśnieniu 0,1 atm (10% tlenu, typowo dla powietrza) głębokość wynosi ponad 100 µm po 10 000 godzin przy dużej kruchości.

Wpływ temperatury i czasu ekspozycji na tolerancję tlenu

Bezpieczne ciśnienie cząstkowe tlenu spada gwałtownie wraz z temperaturą. 8-15 µm alfa-głębokością obudowy po 10 000 godzin w temperaturze 300 stopni i pod ciśnieniem 0,001 atm O2. Przy temperaturze 350 stopni i przy tym samym ciśnieniu O2 wynoszącym 0,001 atm głębokość wzrasta do 20–35 µm, co przekracza dopuszczalną granicę. W temperaturze 300°C i pod ciśnieniem 0,002 atm. O 2 głębokość wynosi 15-25 µm, czyli ponownie przekracza granicę. Tolerancje tlenu są wyższe w niższych temperaturach, przy głębokości 10 000 godzin wynoszącej zaledwie 5–10 µm przy 250 stopniach i 0,005 atm O2. Wyższe poziomy tlenu mogą być dopuszczalne w przypadku czasów ekspozycji krótszych niż 10 000 godzin. Maksymalne bezpieczne ciśnienie cząstkowe tlenu podczas 1000-godzinnej ekspozycji w temperaturze 300 stopni wzrasta do 0,005 atm (0,5% tlenu) przy głębokości obudowy alfa wynoszącej 5–10 μm.

Koce azotowe Przewodnik dotyczący kontroli ciśnienia cząstkowego tlenu

Poniższa tabela przedstawia zalecenia dotyczące maksymalnych dopuszczalnych ciśnień cząstkowych tlenu w płaszczach azotowych nad tytanowymi podgrzewaczami zanurzeniowymi w kąpielach z soli eutektycznej w temperaturze 300 stopni w zależności od wymaganego okresu użytkowania i dopuszczalnej głębokości obudowy alfa.

Pożądany okres użytkowania (godziny) Maksymalna dopuszczalna alfa-Głębokość obudowy (µm) Maksymalne bezpieczne ciśnienie parcjalne tlenu (atm) Równoważne stężenie tlenu (%)Zalecana czystość azotu 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9% 20,000 15 0.0005 0.05% 99,95% 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Inżynieria wykraczająca poza ciśnienie cząstkowe kontroli tlenu

Gatunek tytanu wpływa na kinetykę produkcji-obudowy alfa. Stopień 7 zachowuje się podobnie jak stopień 2 w przypadku alfa-przy tym samym ciśnieniu parcjalnym tlenu, ponieważ pallad nie zmienia znacząco dyfuzji tlenu. Grubość ścianki zapewnia naddatek materiałowy. Na przykład ściana o grubości 2,0 mm i głębokość obudowy alfa- wynoszącej 20 µm ma ciągliwy rdzeń o grubości 1,98 mm, co jest akceptowalne, ale ściana o grubości 1,0 mm w tej samej-obudowie alfa ma zaledwie 0,98 mm ciągliwego rdzenia, co może być marginalne. Należy prowadzić ciągłe monitorowanie płaszcza azotowego za pomocą analizatora tlenu ustawionego na alarm przy 0,05% tlenu (0,0005 atm.), aby zapewnić margines bezpieczeństwa poniżej limitu 0,1%. Skład chemiczny kąpieli solnej może również wpływać na wzrost przypadków alfa-; zanieczyszczenia chlorkowe w soli zwiększają szybkość transportu tlenu.

Świadoma specyfikacja.

W przypadku tytanowej grzałki zanurzeniowej pracującej w temperaturze 300°C w kąpieli z solą eutektyczną z warstwą azotu, należy określić maksymalne ciśnienie parcjalne tlenu wynoszące 0,001 atm (0,1 procent tlenu) dla trwałości 10 000 godzin. Monitorowanie tlenu w płaszczu azotowym powinno być ciągłe, z alarmem przy zawartości tlenu 0,05% i blokadą odcinającą grzejnik, jeśli zawartość tlenu jest większa niż 0,2%. Określ azot o minimalnej czystości 99,9%, punkt rosy poniżej -60 stopni, aby zapewnić suchość. Wybierz 99,95% azotu (0,05% O₂), aby uzyskać dłuższą żywotność ponad 20 000 godzin lub zainstaluj system pobierania tlenu. Podczas uruchamiania ważne jest sprawdzenie poziomu tlenu na powierzchni nagrzewnicy, a nie tylko na wlocie zasilania gazem, ponieważ przez uszczelki może przedostawać się powietrze. Aby zapobiec przyspieszonemu wzrostowi obudowy alfa i kruchości grzejników tytanowych podczas pracy w wysokiej temperaturze w kąpieli solnej, inżynier kontroluje ciśnienie cząstkowe tlenu poniżej 0,001 atm.