عندما يتم غمر عنصر تسخين كهربائي من التيتانيوم في محلول نقش كلوريد الحديديك (42 درجة Bé، 50 درجة)، ما هي النهاية السطحية (قيمة Ra) التي توفر أطول وقت تحريضي للتنقر؟

مقايضة -لإنهاء سطح التيتانيوم في خدمة كلوريد الحديديك تعتبر حلول النقش من كلوريد الحديديك (FeCl 3 ) شديدة الأكسدة وتسبب تآكلًا شديدًا لمعظم المعادن. كلوريد الحديديك النموذجي هو 42 درجة Be (حوالي 40% FeCl 3 ). السبب وراء اختيار التيتانيوم لمقاومته لـ FeCl3 هو طبقة TiO2 السلبية. ومع ذلك، يحدث التدمير الموضعي للفيلم السلبي عند عيوب السطح المجهرية أو الشوائب أو الشقوق ويسمى التنقر. يؤثر تلميع السطح، الذي يحدده متوسط ​​خشونة Ra، بشكل مباشر على عدد وحجم مواقع النواة المحتملة. يزيل السطح الأكثر سلاسة (منخفض Ra) الشقوق الصغيرة ويقلل من عدد المواقع التي يمكن أن تتركز فيها أيونات الكلوريد. يتطلب السطح الأملس جدًا (Ra <0.2 ميكرومتر) تلميعًا كهربائيًا أو تلميعًا ميكانيكيًا ويزيد من التكلفة. في العمل الحالي، تم قياس العلاقة بين قيمة Ra وزمن تحريض الحفر عند 42 درجة Bé FeCl3 عند 50 درجة وتم تحديد تشطيب السطح الذي أدى إلى أطول وقت لبدء الحفر. تأثيرات السلامة الميكانيكية: خشونة السطح وبدء التنقر يبدأ تنقر التيتانيوم في محلول كلوريد الحديديك في المواقع التي يكون فيها الطلاء السلبي أضعف أو حيث تسهل الشقوق تراكم الكلوريد. في الأسطح الخشنة (Ra > 1.0 ميكرومتر)، تكون الوديان عبارة عن شقوق صغيرة. يبلغ عرض هذه الأحواض عادةً 5-20 ميكرومترًا ويكون العمق في حدود قيمة Ra. في هذه الوديان تتراكم أيونات الكلوريد بسبب قيود الانتشار وينخفض ​​الرقم الهيدروجيني المحلي بسبب التحلل المائي لكلوريدات المعادن الذي يسبب التنقر. على سطح أملس (Ra <0.4 ميكرومتر) تكون الوديان ضحلة (<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 أشهر، حيث أن خشونة السطح وإمكانية الحفر لهما علاقة أسية. تتمتع الأسطح المصقولة ميكانيكيًا (Ra=0.2–0.6 ميكرومتر) بفترات تحريض متوسطة تتراوح من 300 إلى 2000 ساعة، وهي مناسبة للتطبيقات الأقل تطلبًا. التلميع الكهربائي ليس له عقوبة حرارية كبيرة. تحديد سخانات للحفر بكلوريد الحديديك مع تشطيب سطحي مصقول كهربائيًا تم التحقق منه بـ Ra < 0.15 ميكرون والتخميل في 20% من حمض النيتريك بعد التلميع. ومع ذلك، فإن تكلفة التشطيب المرتفعة يتم تعويضها من خلال تجنب الصعوبات المتعلقة بالتأليب وعمر الخدمة الأطول. حدد تشطيب السطح الأكثر ملاءمة لوقت التشغيل المتوقع بين فترات الصيانة. يوصى بالتلميع الكهربائي لأي تطبيق يتجاوز 1000 ساعة.