مقايضة-بتشطيب سطح التيتانيوم في خدمة كلوريد الحديديك
تعتبر محاليل الحفر من كلوريد الحديديك (FeCl 3) شديدة الأكسدة وتسبب تآكلًا شديدًا لمعظم المعادن. كلوريد الحديديك النموذجي هو 42 درجة Bé (حوالي 40% FeCl 3 ). تم اختيار التيتانيوم بسبب وجود طبقة TiO2 المنفعلة، مما يجعله مقاومًا لـ FeCl₃. ومع ذلك، فإن التنقر هو الانهيار المحلي للطلاء السلبي، والذي يحدث عادةً عند عيوب السطح أو الشوائب أو الشقوق ذات الحجم المجهري. تشطيب السطح، الذي يتم قياسه بمتوسط ​​خشونة Ra، له تأثير مباشر على كمية وحجم مواقع بدء الحفر المحتملة. يزيل السطح الأكثر نعومة (منخفض Ra) الشقوق المجهرية ويقلل من عدد المواقع لتركيز أيونات الكلوريد. يتطلب السطح الأملس للغاية (Ra <0.2 ميكرومتر) تلميعًا كهربائيًا أو تلميعًا ميكانيكيًا ويضيف تكلفة. حددت الدراسة الحالية العلاقة بين قيمة Ra ووقت تحريض الحفر في 42 درجة Bé FeCl3 عند 50 درجة وحدد تشطيب السطح الذي يوفر أقصى مدة قبل بدء الحفر.

تأثيرات السلامة الميكانيكية: بدء التنقر وخشونة السطح
يبدأ التنقر في محلول كلوريد الحديديك على التيتانيوم في المواقع التي يكون فيها الغشاء السلبي أنحف، أو حيث تسمح الشقوق بتراكم الكلوريد. في الأسطح الخشنة (Ra > 1.0 ميكرومتر)، تشبه الوديان الشقوق الصغيرة. يبلغ عرض هذه الأحواض عادة 5-20 ميكرومتر ويكون العمق بنفس ترتيب قيمة Ra. في هذه الوديان تتراكم أيونات الكلوريد بسبب قيود الانتشار وينخفض ​​الرقم الهيدروجيني المحلي بسبب التحلل المائي لكلوريدات المعادن الذي يبدأ بالتنقر. على سطح أملس (Ra <0.4 ميكرومتر) تكون الوديان ضحلة (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

الأداء الحراري: تأثير التشطيب السطحي وانتقال الحرارة
يؤثر تشطيب السطح أيضًا على انتقال الحرارة، ولكنه ثانوي بالنسبة لمقاومة الحفر. تكون مساحة السطح الفعلية للسطح الأكثر خشونة أكبر (2 إلى 5 أضعاف المساحة المتوقعة لـ Ra=1.5 ميكرومتر، بشكل عام) والتي، من الناحية النظرية، تعزز نقل الحرارة عن طريق زيادة مساحة التلامس مع محلول كلوريد الحديديك. في الواقع، فإن سمك الطبقة الحدودية للحمل الحراري (عادةً 50-200 ميكرومتر) أكبر بكثير من خصائص الخشونة، وبالتالي فإن معامل نقل الحرارة يكاد يكون مستقلاً عن Ra للقيم الأقل من 5 ميكرومتر. يؤدي التلميع الكهربائي (Ra=0.1μm) إلى تقليل مساحة السطح الحقيقية بنسبة ~5% مقارنة بالسطح المصقول ميكانيكيًا، مما يؤدي إلى الحد الأدنى (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

تجميع المقايضة-: قيمة Ra مقابل وقت التحريض
قيمة Ra لتشطيب السطح (ميكرومتر) الطريقة E_pit (V مقابل Ag/AgCl) وقت الحث حتى الحفرة الأولى (ساعات، 42 درجة Bé FeCl3، 50 درجة) عامل التكلفة النسبية
كما هو -مرسوم (إنهاء المطحنة) 1.2 – 1.8 لا شيء +0.65 V 20 – 40 ساعة 1.0× مخلل (مزيل الترسبات الحمضية) 0.8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% تراجع HF +0.70 V 50 – 100 ساعة 1.1× مصقول ميكانيكيًا (320 حصى) 0.4 – 0.6 تلميع الحزام أو العجلة +0.80 V 300 – 500 ساعة 1.5×
تلميع ميكانيكي (600 حبيبة رملية) 0.2 - 0.3 تلميع كاشط ناعم +0.88 V 2.0× 1،000 - 2,000 ساعة
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5000 ساعة. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 أشهر من التشغيل المتواصل) بينما-يتم حفر الأسطح المرسومة خلال يوم أو يومين. ينمو التحسن بشكل كبير مع انخفاض Ra.

الهندسة بعد التشطيب: التخميل والمعالجة-بعد التلميع
للحصول على أفضل مقاومة للتنقر، يجب أن يتبع السطح المصقول كهربائيًا خطوة تخميل حمض النيتريك (20% HNO 3 عند 50 درجة لمدة 30 دقيقة). يؤدي هذا العلاج إلى طبقة TiO2 متجانسة وخالية من العيوب- والتي تكون أكثر سمكًا وأكثر استقرارًا من الطبقة السلبية الطبيعية. لا يُظهر التيتانيوم المصقول كهربائيًا الموجود في كلوريد الحديديك أي ثقب بعد 10000 ساعة من الاختبارات المعملية. إذا كان التلميع الكهربائي مكلفًا للغاية بالنسبة للتطبيق، فإن التلميع الميكانيكي بحبيبات 600 (Ra ≈ 0.25 ميكرومتر) والتخميل سيعطي وقتًا تحريضيًا يتراوح بين 1000-2000 ساعة وهو مناسب للعديد من إجراءات الحفر على دفعات حيث تتم إزالة السخان وتنظيفه بين الدفعات. الحيلة هي تجنب الملوثات السطحية (جزيئات الحديد أو الشحوم أو المواد الكاشطة المدمجة) التي يمكن أن تكون بمثابة مواقع بدء الحفر.

الاستنتاج: الصقل الكهربائي (Ra أقل من أو يساوي 0.15 ميكرومتر) يوفر أطول وقت تحريضي
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 أشهر. تؤدي الأسطح المصقولة ميكانيكيًا (Ra=0.2–0.6 ميكرومتر) إلى أوقات تحريض متوسطة تتراوح من 300 إلى 2000 ساعة، وهي مناسبة للتطبيقات الأقل تطلبًا. لا يحتوي التلميع الكهربائي على عقوبة حرارية مهمة. تحديد سخانات لحفر كلوريد الحديديك مع تشطيب سطحي مصقول كهربائيًا تم التحقق من Ra أقل من أو يساوي 0.15 ميكرومتر والتخميل في 20٪ من حمض النيتريك بعد التلميع. ولكن يتم تعويض زيادة تكلفة التشطيب عن طريق تجنب المشاكل المتعلقة بالتنقر-وإطالة عمر الخدمة. اختر تشطيب السطح المناسب بناءً على وقت التشغيل المستمر المتوقع بين فترات الصيانة. لأي تطبيق يزيد عن 1000 ساعة، يُقترح التلميع الكهربائي.