När ett elektriskt värmeelement av titan är nedsänkt i en järnkloridetsningslösning (42 grader Bé, 50 grader), vilken ytfinish (Ra-värde) ger den längsta induktionstiden för gropbildning?

Byt-av för ytfinish av titan i järnkloridservice Järnkloridetsningslösningar (FeCl 3 ) är mycket oxiderande och mycket frätande för de flesta metaller. Typisk järnklorid är 42 grader Be (ungefär 40 % FeCl3). Anledningen till att titan valdes för dess motståndskraft mot FeCl3 var det passiva TiO2-skiktet. Lokaliserad förstörelse av den passiva filmen inträffar dock i mikroskala ytdefekter, inneslutningar eller sprickor och kallas gropbildning. Ytpoleringen, definierad av den genomsnittliga grovheten Ra, påverkar direkt antalet och storleken på potentiella gropkärnbildningsställen. Den jämnare ytan (lågt Ra) eliminerar små sprickor och minskar antalet platser där kloridjoner kan koncentreras. Mycket slät yta (Ra < 0,2 µm) kräver elektropolering eller mekanisk polering och ökar kostnaderna. I föreliggande arbete mättes sambandet mellan Ra-värde och gropinduktionstid i 42 grader Bé FeCl3 vid 50 grader och den ytfinish som resulterade i den längsta tiden till gropinitiering identifierades. Effekter av mekanisk integritet: Ytgrovhet och initiering av gropfrätning Pitting av titan i järnkloridlösning initieras på platser där den passiva beläggningen är svagast eller där sprickor underlättar ackumulering av klorid. På en grov yta (Ra > 1,0 µm) är dalarna mikrofissurliknande. Dessa tråg är typiskt 5-20 um breda och djupet är i storleksordningen Ra-värdet. I dessa dalar ackumuleras kloridjoner på grund av diffusionsbegränsningar och det lokala pH-värdet sjunker på grund av hydrolys av metallklorider som orsakar gropbildning. På en slät yta (Ra < 0,4 µm) är dalarna grunda (<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 månader, eftersom ytjämnhet och groppotential har ett exponentiellt samband. De mekaniskt polerade ytorna (Ra=0.2–0,6 µm) har mellanliggande induktionsperioder på 300–2000 timmar, lämpliga för mindre krävande applikationer. Elektropolering har ingen betydande värmestraff. Ange värmare för järnkloridetsning med elektropolerad ytfinish verifierad Ra < 0,15 mikron och passivering i 20 % salpetersyra efterpolering. Den högre efterbehandlingskostnaden kompenseras dock av att man undviker groprelaterade svårigheter och den längre livslängden. Välj den ytfinish som är mest lämplig för den förväntade körtiden mellan underhållsintervallen. Elektropolering rekommenderas för alla applikationer som överstiger 1 000 timmar.