Qual è la pressione parziale massima sicura dell'ossigeno (atm) in una coperta di azoto sopra un riscaldatore ad immersione in titanio funzionante a 300 gradi in un bagno di sale eutettico per evitare la crescita accelerata di casi alfa-?

I riscaldatori ad immersione in titanio sono protetti dall'ossidazione da una coperta di azoto in un bagno di sale eutettico a 300 gradi. Tuttavia, se l'ossigeno è disponibile nella coltre di azoto, l'ossigeno può permeare fino alla superficie del titanio e formare uno strato di custodia alfa-arricchito di ossigeno. Questo strato fragile diminuisce la resistenza alla fatica e la duttilità. Il tasso di crescita del caso alfa- è parabolico, essendo la profondità proporzionale alla radice quadrata del tempo moltiplicata per la pressione parziale dell'ossigeno. Questa è la pressione parziale di ossigeno più alta che può essere utilizzata in sicurezza per evitare una crescita accelerata dell'alfa-caso (ovvero, meno di 10 m di alfa-caso dopo 10.000 ore di funzionamento). Al di sopra di questo livello, il tasso di crescita del caso alfa- aumenta rapidamente provocando infragilimento e fallimento precoce.

Meccanismo di formazione della cassa alfa- mediante ossigeno a 300 gradi

A 300 gradi l'ossigeno diffonde interstizialmente nel reticolo del titanio stabilizzando la fase alfa. Lo strato alfa-della cassa è più duro, tipicamente 300–500 HV rispetto ai 180–220 HV del metallo base ed è essenzialmente non-duttile. La crescita del caso alfa- è data dall'equazione d^2=k_p * t, dove d è la profondità del caso alfa-, k_p è la costante di velocità parabolica e t è la durata. La costante di velocità kp è proporzionale alla pressione parziale dell'ossigeno elevata a 0,5. A pressioni parziali dell'ossigeno inferiori a un valore critico, il tasso di crescita del caso alfa-è trascurabile per la durata di servizio pratica. Al di sopra di questo livello il tasso di crescita è elevato e può portare all'infragilimento del tubo riscaldante a parete sottile nel giro di mesi.

Crescita quantitativa del caso alfa-rispetto alla pressione parziale dell'ossigeno a 300 gradi

Test controllati con combinazioni di azoto-ossigeno a 300 gradi per 10.000 ore hanno stabilito la profondità di crescita del caso alfa-per Ti-grado 2. Ad una pressione parziale dell'ossigeno di 0,0001 atm (0,01% di ossigeno) il caso alfa-è profondo solo 2–5 µm e quindi insignificante e non influenza le qualità meccaniche. La profondità è di 5–10 µm a 0,0005 atm (0,05% di ossigeno), accettabile per la maggior parte delle applicazioni con margine di sicurezza. Alla soglia critica di 0,001 atm (0,1% di ossigeno) la profondità della cassa alfa-è 8-15 {micro}m dopo 10.000 ore, che è il limite massimo consentito. A 0,002 atm (0,2% di ossigeno) la profondità aumenta a 15–25 µm e si osserva una perdita misurabile di duttilità. A 0,005 atm (0,5% di ossigeno) la profondità è di 25-40 µm e si osserva un notevole infragilimento. 35–60 µm di profondità del caso alfa a 0,01 atm (1% di ossigeno) con fessurazioni durante il ciclo termico. A 0,1 atm (10% di ossigeno, tipico dell'aria) la profondità supera i 100 µm dopo 10.000 ore con grave infragilimento.

Effetti della temperatura e del tempo di esposizione sulla tolleranza all'ossigeno

La pressione parziale sicura dell'ossigeno diminuisce rapidamente con la temperatura. 8-15 µm alfa-profondità della cassa dopo 10.000 ore a 300 gradi e 0,001 atm di O2. A 350 gradi e con la stessa pressione di O2 di 0,001 atm la profondità aumenta a 20–35 µm, che è superiore al limite consentito. A 300 C e 0,002 atm O 2 la profondità è 15-25 um , ancora oltre il limite. Le tolleranze dell'ossigeno sono più elevate a temperature più basse, con una profondità di 10.000 ore di soli 5–10 µm a 250 gradi e 0,005 atm di O2. Livelli di ossigeno più elevati possono essere accettabili per tempi di esposizione inferiori a 10.000 ore. La pressione parziale massima sicura dell'ossigeno durante un'esposizione di 1000 ore a 300 gradi sale a 0,005 atm (0,5% di ossigeno) con una profondità del caso alfa di 5–10 μm.

Guida al controllo della pressione parziale dell'ossigeno nelle coperte di azoto

La tabella seguente presenta raccomandazioni per le pressioni parziali massime consentite dell'ossigeno nelle coperte di azoto su riscaldatori ad immersione in titanio in bagni di sali eutettici a 300 gradi in funzione della durata di servizio richiesta e della profondità ammissibile dell'alfa-case.

Durata utile desiderata (ore) Alfa massima consentita-Profondità custodia (μm) Pressione parziale massima di ossigeno sicuro (atm) Concentrazione equivalente di ossigeno (%) Purezza consigliata dell'azoto 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%
Ingegneria oltre la pressione parziale del controllo dell'ossigeno

Il grado di titanio influenza la cinetica di produzione della cassa alfa-. Il grado 7 si comporta in modo simile al grado 2 nel caso alfa-per la stessa pressione parziale di ossigeno perché il palladio non modifica in modo significativo la diffusione dell'ossigeno. Lo spessore della parete offre un margine di materiale. Ad esempio, una parete da 2,0 mm con una profondità alpha-case di 20 µm ha 1,98 mm di nucleo duttile che è accettabile, ma una parete da 1,0 mm con lo stesso alpha-case ha solo 0,98 mm di nucleo duttile che può essere marginale. È necessario mantenere un monitoraggio continuo della coperta di azoto utilizzando un analizzatore di ossigeno impostato su un allarme allo 0,05% di ossigeno (0,0005 atm) per fornire un margine di sicurezza inferiore al limite dello 0,1%. La composizione chimica del bagno salino può anche influenzare la crescita dei casi alfa-; le impurità di cloruro nel sale aumentano la velocità di trasporto dell'ossigeno.

Specifica informata.

Per un riscaldatore a immersione in titanio a 300 gradi C in un bagno di sale eutettico con coperta di azoto, specificare una pressione parziale massima di ossigeno di 0,001 atm (0,1% di ossigeno) per una durata di 10.000 ore. Il monitoraggio dell'ossigeno nella coperta di azoto deve essere continuo con un allarme allo 0,05% di ossigeno e un interblocco per interrompere il riscaldatore se l'ossigeno è superiore allo 0,2%. Specificare azoto con purezza minima del 99,9%, punto di rugiada inferiore a -60 gradi per garantire la secchezza. Specificare il 99,95% di azoto (0,05%O₂) per una durata operativa maggiore di oltre 20.000 ore o installare un sistema di acquisizione dell'ossigeno. Durante la messa in funzione è importante controllare il livello di ossigeno sulla superficie del riscaldatore, non solo all'ingresso dell'alimentazione del gas, poiché l'aria può entrare attraverso le guarnizioni. Per prevenire la crescita accelerata del caso alfa e l'infragilimento dei riscaldatori di titanio nel servizio in bagno di sale ad alta temperatura, l'ingegnere controlla la pressione parziale dell'ossigeno a meno di 0,001 atm.