Vad är det maximala säkra syrepartialtrycket (atm) i en kvävefilt ovanför en titan-doppvärmare som arbetar vid 300 grader i ett eutektiskt saltbad för att undvika accelererad alfa-tillväxt?

Det eutektiska saltbadet drivs vid 300 grader och en kvävefilt skyddar doppvärmarna i titan från oxidation. Men syre kan läcka ut från kvävetäcket till titanytan och bilda ett syrerikt alfa-skikt. Det tunna lagret är skört och sänker både utmattningslivslängden och duktiliteten. Tillväxthastigheten för alfa-fallet är en parabolisk lag, där djupet är proportionellt mot kvadratroten av syrepartialtrycket gånger tiden. Det högsta säkra syrepartialtrycket för att förhindra accelererad alfa-tillväxt, definierat som mindre än 10 µm alfa{10}} efter 10 000 timmars drift, är 0,001 atm (0,1 volymprocent syre). Över denna nivå accelereras tillväxten av alfa-fall kraftigt, vilket resulterar i sprödhet och för tidigt misslyckande.

Mekanism av syre-inducerad bildning av alfa-fall vid 300 grader

Så vid 300 grader kommer syre interstitiellt in i titangittret och stabiliserar alfafasen. Alfa-höljesskiktet är hårt, ofta 300-500 HV vs. 180-220 HV för basmetallen, och är i huvudsak icke-duktilt. Alfa-fallets tillväxt följer ekvationen d²=k_p × t, där d är djupet av alfa-fallet, k_p är den paraboliska hastighetskonstanten och t är perioden. Hastighetskonstanten kp är proportionell mot kvadratroten av syrepartialtrycket. För praktiska brukstider är alfa-fallets utvecklingshastighet obetydlig under ett visst syrepartialtryck. Om tillväxthastigheten är över denna tröskel kan den vara betydande och kan orsaka försprödning av det tunnväggiga värmeröret inom några månader.

Oxygen Partial Pressure Dependence of Quantitative Alpha-Case-tillväxt vid 300 grader

Djupet av alfa-fallsbildning för grad 2 titan har fastställts genom kontrollerade tester i kväve-syrekombinationer vid 300 grader i 10 000 timmar. Vid ett syrepartialtryck på 0,0001 atm (0,01 % syre) är djupet på alfa-fallet 2–5 µm och är minimalt utan inverkan på mekaniska egenskaper. Vid 0,0005 atm (0,05 % syre) är djupet 5–10 µm och är acceptabelt för de flesta applikationer med en säkerhetsmarginal. Det kritiska tröskelvärdet är 0,001 atm (0,1 % syre) där alfa-fallets djup är 8-15 m efter 10 000 timmar, vilket är den högsta tillåtna gränsen. Vid 0,002 atm (0,2 % syre) ökar djupet till 15–25 µm och ett mätbart fall i duktilitet observeras. Vid 0,005 atm (0,5 % syre) är djupet 25–40 mm, med betydande sprödhet. Vid 0,01 atm (1 % syre) är alfa-fallets djup 35–60 µm vilket leder till sprickbildning under termisk cykling. Vid den typiska luften på 0,1 atm (10 % syre) är djupet större än 100 µm efter 10 000 timmar vilket orsakar betydande sprödhet.

Temperaturens och exponeringens inverkan på toleransen för syre

Det säkra partialtrycket av syre sjunker avsevärt med ökande temperatur. Efter 10 000 timmar vid 300 grader och 0,001 atm O₂ är alfa-fallets djup 8-15 µm. Vid 350 grader med samma 0,001 atm O2 ökar djupet till 20–35 µm, vilket är över den tillåtna gränsen. Djup: 15-25 mm @ 300 grader och 0,002 atm O2, även över gränsen. Vid 250 grader och 0,005 atm O 2 är djupet efter 10 000 timmar bara 5-10 µm, vilket indikerar att lägre temperatur tillåter högre syretolerans. För exponeringslängder mindre än 10 000 timmar kan syrenivåer högre än 10 000 timmar tolereras. För en 1 000 timmars exponering vid 300oC stiger det maximalt acceptabla syrepartialtrycket till 0,005 atm (0,5 % syre) med ett alfa-casedjup på 5-10 μm.

Guide till kontroll av syrepartialtrycket för kvävefiltar

Följande tabell ger rekommendationer för maximalt tillåtet syrepartialtryck i kvävefiltar över doppvärmare av titan i eutektiska saltbad vid 300 C som en funktion av önskad livslängd och tillåtet alfa-falldjup.

Önskad livslängd (timmar) Maximalt tillåtet alfa-Höljedjup (µm) Maximalt säkert syrepartialtryck (atm) Ekvivalent syrekoncentration (%)Kväverenhet Rekommenderad 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 2}9,9% 9,9% 9,9%. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Konstruktion bortom partialtryck av syrekontroll

Titankvaliteten påverkar kinetiken för alfa-fallsbildning. Alfa-fallet för grad 7 liknar grad 2 vid samma syrepartialtryck på grund av palladiums ringa effekt på syrediffusion. Väggtjocklek ger en materialtillåtelse så att en 2,0 mm vägg med ett alfa-husdjup på 20 µm har 1,98 mm duktil kärna vilket är acceptabelt men en 1,0 mm vägg med samma alfa-hölje har bara 0,98 mm duktil kärna som kan vara marginell. Kvävefilten bör övervakas kontinuerligt med en syreanalysator med ett larm inställt på 0,05 % syre (0,0005 atm) för att erbjuda en säkerhetsbuffert under gränsen på 0,1 %. Alfa-tillväxt kan också påverkas av saltbadskemin. Kloridföroreningar i saltet påskyndar diffusionen av syre.

Specifikation för informerad dom

10 000-timmars livslängd, doppvärmare i titan, 300 grader, eutektiskt saltbad, kvävefilt, ange ett maximalt partialtryck för syre på 0,001 atm (0,1 % syre). Kontinuerlig syreövervakning i kvävetäcket med larm vid 0,05 % syre och förregling för att stänga av värmaren om syre överstiger 0,2 %. Ange en kväverenhet på minst 99,9 % med daggpunkt under -60 grader för torrhet. För en livslängd på över 20 000 timmar, specificera 99,95 % kväve (0,05 % O2) eller installera oxygengettersystem. Vid driftsättning, kontrollera syrenivån på värmarens yta och inte bara vid gasintaget, eftersom luft kan läcka in genom tätningarna. Syrets partialtryck regleras till mindre än 0,001 atm för att förhindra ökad alfa-case-bildning och försprödning av titanvärmare i saltbad med hög temperatur.