Quando un elemento riscaldante elettrico in titanio viene immerso in una soluzione di attacco al cloruro ferrico (42 gradi Bé, 50 gradi), quale finitura superficiale (valore Ra) fornisce il tempo di induzione più lungo per la vaiolatura?

Compro-per la finitura superficiale del titanio nel servizio di cloruro ferrico Le soluzioni di incisione del cloruro ferrico (FeCl 3 ) sono altamente ossidanti e altamente corrosive per la maggior parte dei metalli. Il tipico cloruro ferrico è 42 gradi Be (circa 40% FeCl 3 ). Il motivo per cui è stato scelto il titanio per la sua resistenza al FeCl3 è stato lo strato passivo di TiO2. La distruzione localizzata del film passivo, tuttavia, si verifica in corrispondenza di difetti superficiali, inclusioni o crepe su microscala e viene chiamata vaiolatura. La lucidatura superficiale, definita dalla rugosità media Ra, influenza direttamente il numero e la dimensione dei potenziali siti di nucleazione della vaiolatura. La superficie più liscia (basso Ra) elimina le piccole crepe e riduce il numero di punti in cui gli ioni cloruro possono concentrarsi. Una superficie molto liscia (Ra <0,2 µm) richiede elettrolucidatura o lucidatura meccanica e aumenta i costi. Nel presente lavoro, è stata misurata la relazione tra il valore Ra e il tempo di induzione della vaiolatura in Bé FeCl3 a 42 gradi a 50 gradi ed è stata identificata la finitura superficiale che ha comportato il tempo di inizio vaiolatura più lungo. Effetti dell'integrità meccanica: rugosità superficiale e inizio della vaiolatura La vaiolatura del titanio nella soluzione di cloruro ferrico inizia nei siti dove il rivestimento passivo è più debole o dove le fessure facilitano l'accumulo di cloruro. In una superficie ruvida (Ra > 1,0 µm), le valli sono simili a microfessure. Questi avvallamenti sono tipicamente larghi 5-20 um e la profondità è dell'ordine del valore Ra. In queste valli si accumulano ioni cloruro a causa delle limitazioni di diffusione e il pH locale diminuisce a causa dell'idrolisi dei cloruri metallici che provoca vaiolatura. Su una superficie liscia (Ra < 0,4 µm) le valli sono poco profonde (<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 mesi, poiché la rugosità superficiale e il potenziale di vaiolatura hanno una relazione esponenziale. Le superfici lucidate meccanicamente (Ra=0.2–0,6 µm) hanno periodi di induzione intermedi di 300–2000 ore, adatte per applicazioni meno impegnative. L’elettrolucidatura non presenta penalità termiche significative. Specificare i riscaldatori per l'incisione con cloruro ferrico con finitura superficiale elettrolucidata verificata Ra < 0,15 micron e passivazione in acido nitrico al 20% post lucidatura. Tuttavia, il costo di finitura più elevato è compensato dall’eliminazione delle difficoltà legate alla vaiolatura e dalla maggiore durata. Selezionare la finitura superficiale più appropriata per il tempo di funzionamento previsto tra gli intervalli di manutenzione. L'elettrolucidatura è consigliata per qualsiasi applicazione superiore a 1.000 ore.