Byt-av mot ytfinish i titan i järnkloridservice
Järnklorid (FeCl 3 ) etslösningar är mycket oxiderande och aggressivt frätande för de flesta metaller. Typisk järnklorid är 42 grader Bé (cirka 40 % FeCl3). Titan valdes på grund av det passiva TiO2-skiktet, vilket gör det resistent mot FeCl3. Emellertid är gropfrätning den lokala nedbrytningen av den passiva beläggningen, vanligen vid ytfel, inneslutningar eller sprickor i mikroskala. Ytfinish, mätt med den genomsnittliga grovheten Ra, har en direkt inverkan på mängden och storleken på möjliga gropinitieringsplatser. En jämnare yta (låg Ra) tar bort mikroskopiska sprickor och minskar antalet platser för koncentrationen av kloridjoner. En mycket slät yta (Ra < 0,2 µm) kräver elektropolering eller mekanisk polering och ökar kostnaden. Den aktuella studien fastställde korrelationen mellan Ra-värde och gropinduktionstid i 42 grader Bé FeCl3 vid 50 grader och fastställde ytfinishen som gav den maximala varaktigheten före gropinitiering.

Mekanisk integritetspåverkan: Pittinginitiering och ytjämnhet
Pitting i järnkloridlösning på titan börjar på platser där den passiva filmen är tunnast, eller där sprickor tillåter ackumulering av klorid. På en grov yta (Ra > 1,0 µm) är dalarna som mikrosprickor. Dessa tråg är vanligtvis 5–20 µm breda och djupet är av samma storleksordning som Ra-värdet. I dessa dalar ackumuleras kloridjoner på grund av diffusionsbegränsningar och det lokala pH-värdet minskar på grund av hydrolys av metallklorider som initierar gropbildning. På en slät yta (Ra < 0,4 µm) är dalarna grunda (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Termisk prestanda: Effekt av ytfinish och värmeöverföring
Ytfinish har också en effekt på värmetransport, men är sekundärt till gropmotstånd. Den faktiska ytarean på en grövre yta är större (2 till 5 gånger den projicerade arean för Ra=1.5 µm, i allmänhet) vilket i teorin förbättrar värmeöverföringen genom att öka kontaktytan med järnkloridlösningen. I själva verket är dock tjockleken på det konvektiva gränsskiktet (vanligtvis 50–200 µm) betydligt större än grovhetsegenskaperna och därför är värmeöverföringskoefficienten nästan oberoende av Ra ​​för värden under 5 µm. Elektropolering (Ra=0.1µm) minskar den verkliga ytan med ~5 % jämfört med en mekaniskt polerad yta, vilket resulterar i en minimal (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Synthesis of the Trade-off: Ra-värde vs Pitting Induction Time
Ytfinish Ra-värde (µm) Metod E_pit (V vs. Ag/AgCl) Induktionstid till första grop (timmar, 42 grader Bé FeCl3, 50 grader ) Relativ kostnadsfaktor
Som-ritad (fräsfinish) 1,2 – 1,8 Inget +0.65 V 20 – 40 timmar 1,0× Betad (syraavkalkat) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF-dopp +0.70 V 50 – 101 tim. 32 timmar Mekaniskt polerad (100 timmar) 0,4 – 0,6 Bältes- eller hjulpolering +0.80 V 300 – 500 timmar 1,5×
Mekanisk polering (korn 600) 0,2 – 0,3 Finslipande polering+0.88 V 2,0× 1,000 - 2000 timmar
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5 000 timmar. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 månaders kontinuerlig drift) medan som-ritade ytor grop inom 1-2 dagar. Förbättringen växer exponentiellt när Ra minskar.

Engineering After the Finish: Passivation and Post{0}}Polishing Treatment
För bästa motståndskraft mot gropfrätning bör en elektropolerad yta följas av ett passiveringssteg med salpetersyra (20 % HNO 3 vid 50 grader i 30 minuter). Denna behandling leder till ett homogent, defektfritt- TiO2-skikt som är tjockare och mer stabilt än den naturliga passiva filmen. Passiverat elektropolerat titan i drift i järnklorid visar ingen gropbildning efter 10 000 timmars laboratorietester. Om elektropolering är för dyrt för applikationen kommer 600-korns mekanisk polering (Ra ≈ 0,25 µm) och passivering att ge en induktionstid på 1 000–2 000 timmar vilket är lämpligt för många batchetsningsprocedurer där värmaren tas bort och rengörs mellan batcherna. Tricket är att undvika ytföroreningar (järnpartiklar, fett eller inbäddade slipmedel) som kan fungera som gropinitieringsplatser.

Slutsats: Elektropolerad (Ra mindre än eller lika med 0,15 μm) ger längsta induktionstid
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 månader. De mekaniskt polerade ytorna (Ra=0.2–0,6 µm) leder till mellanliggande induktionstider på 300–2 000 timmar, lämpligt för mindre krävande applikationer. Elektropolering har ingen viktig termisk påföljd. Ange värmare för järnkloridetsning med elektropolerad ytfinish verifierad Ra Mindre än eller lika med 0,15 μm och passivering i 20 % salpetersyra efter polering. Men den ökade efterbehandlingskostnaden kompenseras av att man undviker groprelaterade problem-och den längre livslängden. Välj lämplig ytfinish baserat på förväntad kontinuerlig drifttid mellan underhållsintervallen. För alla applikationer över 1 000 timmar rekommenderas elektropolering.