Kiedy tytanowy elektryczny element grzejny jest zanurzony w roztworze trawiącym chlorkiem żelaza (42 stopnie Bé, 50 stopni), jakie wykończenie powierzchni (wartość Ra) zapewnia najdłuższy czas indukcji wżerów?

Kompromis-w zamian za wykończenie powierzchni tytanem w usługach chlorku żelaza Roztwory trawiące chlorku żelaza (FeCl 3 ) silnie utleniają się i powodują korozję większości metali. Typowy chlorek żelaza ma 42 stopnie Be (około 40% FeCl 3 ). Powodem, dla którego wybrano tytan ze względu na jego odporność na FeCl3, była pasywna warstwa TiO2. Jednakże miejscowe zniszczenie folii pasywnej następuje w przypadku defektów powierzchni w mikroskali, wtrąceń lub pęknięć i nazywa się to wżerami. Polerowanie powierzchni, określone przez średnią chropowatość Ra, ma bezpośredni wpływ na liczbę i wielkość potencjalnych miejsc zarodkowania wżerów. Gładsza powierzchnia (niski Ra) eliminuje drobne pęknięcia i zmniejsza liczbę miejsc, w których mogą gromadzić się jony chlorkowe. Bardzo gładka powierzchnia (Ra < 0,2 µm) wymaga elektropolerowania lub polerowania mechanicznego, co zwiększa koszty. W niniejszej pracy zmierzono zależność wartości Ra od czasu indukcji wżerów w 42 stopniach Bé FeCl3 w temperaturze 50 stopni i zidentyfikowano wykończenie powierzchni, które powodowało najdłuższy czas do inicjacji wżerów. Wpływ na integralność mechaniczną: chropowatość powierzchni i inicjacja wżerów Wżery tytanu w roztworze chlorku żelaza inicjują się w miejscach, gdzie powłoka pasywna jest najsłabsza lub gdzie szczeliny ułatwiają gromadzenie się chlorku. Na chropowatej powierzchni (Ra > 1,0 µm) doliny przypominają mikroszczeliny. Te rynny mają typowo szerokość 5-20 um, a głębokość jest rzędu wartości Ra. W tych dolinach jony chlorkowe gromadzą się w wyniku ograniczeń dyfuzji i lokalnego spadku pH w wyniku hydrolizy chlorków metali, co powoduje wżery. Na gładkiej powierzchni (Ra < 0,4 µm) doliny są płytkie (<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 miesięcy, ponieważ chropowatość powierzchni i potencjał wżerów mają wykładniczy związek. Powierzchnie polerowane mechanicznie (Ra=0.2–0,6 µm) mają pośrednie okresy indukcji wynoszące 300–2000 godzin, odpowiednie do mniej wymagających zastosowań. Elektropolerowanie nie wiąże się ze znaczącymi konsekwencjami cieplnymi. Określ grzejniki do trawienia chlorkiem żelaza z elektropolerowanym wykończeniem powierzchni zweryfikowanym Ra < 0,15 mikrona i pasywacją w 20% kwasie azotowym po polerowaniu. Jednakże wyższe koszty wykończenia są równoważone przez uniknięcie problemów związanych z wżerami i dłuższą żywotność. Wybierz wykończenie powierzchni, które jest najbardziej odpowiednie dla oczekiwanego czasu pracy pomiędzy okresami konserwacji. W przypadku zastosowań przekraczających 1000 godzin zaleca się elektropolerowanie.