Kun titaaninen sähköinen lämmityselementti upotetaan ferrikloridietsausliuokseen (42 astetta Bé, 50 astetta), mikä pinnan viimeistely (Ra-arvo) tarjoaa pisimmän induktioajan pisteiden muodostukseen?

Vaihto-titaanipinnan viimeistelyyn rautakloridipalvelussa Rautakloridi (FeCl 3 ) -etsausliuokset ovat erittäin hapettavia ja syövyttävät useimpia metalleja. Tyypillinen rautakloridi on 42 asteen Be (noin 40 % FeCl3). Syy, miksi titaani valittiin sen FeCl3:n kestävyyden vuoksi, oli passiivinen TiO2-kerros. Passiivikalvon paikallinen tuhoutuminen tapahtuu kuitenkin mikromittakaavaisten pintavirheiden, sulkeumien tai halkeamien yhteydessä, ja sitä kutsutaan pistekorotukseksi. Keskimääräisellä karheudella Ra määritelty pinnan kiillotus vaikuttaa suoraan mahdollisten pistesyttymiskohtien määrään ja kokoon. Tasaisempi pinta (matala Ra) eliminoi pienet halkeamat ja vähentää kloridi-ionien keskittymiskohtien määrää. Erittäin sileä pinta (Ra < 0,2 µm) vaatii sähkökiillotusta tai mekaanista kiillotusta ja lisää kustannuksia. Tässä työssä mitattiin Ra-arvon ja pistesyöpymisajan välinen suhde 42 asteen Bé FeCl3:ssa 50 asteessa ja tunnistettiin pinnan viimeistely, joka johti pisimpään syvennykseen. Mekaanisen eheyden vaikutukset: Pinnan karheus ja pistesyöpymisen alkaminen Titaanin pisteytyminen ferrikloridiliuoksessa alkaa kohdista, joissa passiivinen pinnoite on heikoin tai missä halkeamat helpottavat kloridin kerääntymistä. Karkealla pinnalla (Ra > 1,0 µm) laaksot ovat mikrohalkeamaisia. Nämä kourut ovat tyypillisesti 5-20 um leveitä ja syvyys Ra-arvon luokkaa. Näissä laaksoissa kloridi-ioneja kerääntyy diffuusiorajoitusten vuoksi ja paikalliset pH-arvot laskevat metallikloridien hydrolyysin vuoksi, mikä aiheuttaa pistesyöpymistä. Tasaisella pinnalla (Ra < 0,4 µm) laaksot ovat matalia (<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 kuukautta, koska pinnan karheudella ja pistesyöpymispotentiaalilla on eksponentiaalinen yhteys. Mekaanisesti kiillotettujen pintojen (Ra=0.2–0,6 µm) väliinduktiojaksot ovat 300–2000 tuntia, mikä soveltuu vähemmän vaativiin sovelluksiin. Sähkökiillotuksella ei ole merkittävää lämpövaikutusta. Määritä lämmittimet rautakloridi-etsaukseen, jossa on sähkökiillotettu pintakäsittely, jonka Ra < 0,15 mikronia ja passivointi 20-prosenttisessa typpihapossa, jälkikiillotus. Korkeammat viimeistelykustannukset kompensoivat kuitenkin pistemäisten ongelmien välttäminen ja pidempi käyttöikä. Valitse pintakäsittely, joka sopii parhaiten odotettuun huoltovälien väliseen käyttöaikaan. Sähkökiillotusta suositellaan yli 1000 tuntia kestäviin sovelluksiin.