Quina és la pressió parcial d'oxigen màxima segura (atm) en una manta de nitrogen per sobre d'un escalfador d'immersió de titani que funciona a 300 graus en un bany de sal eutèctica per evitar un creixement accelerat de casos alfa-?

Els escalfadors d'immersió de titani estan protegits de l'oxidació per una manta de nitrogen en un bany de sal eutèctica a 300 graus. Tanmateix, si hi ha oxigen disponible a la manta de nitrogen, l'oxigen pot penetrar a la superfície de titani i formar una capa alfa-enriquida en oxigen. Aquesta capa trencadissa disminueix la vida a la fatiga i la ductilitat. La velocitat de creixement del cas alfa- és parabòlica, la profunditat és proporcional a l'arrel quadrada del temps multiplicada per la pressió parcial d'oxigen. Aquesta és la pressió parcial d'oxigen més alta que es pot utilitzar de manera segura per evitar un creixement accelerat de cas alfa-(és a dir, menys de 10 m de cas-alfa després de 10.000 hores de funcionament). Per sobre d'aquest nivell, la taxa de creixement del cas alfa-augmenta ràpidament i provoca fragilitat i fracàs precoç.

Mecanisme de formació de casos alfa-per oxigen a 300 graus

A 300 graus, l'oxigen es difon intersticialment a la xarxa de titani estabilitzant la fase alfa. La capa de cas alfa-és més dura, normalment 300-500 HV en comparació amb 180-220 HV per al metall base i és essencialment no-dúctil. El creixement del cas alfa-és donat per l'equació d^{2=k_p * t, on d és la profunditat del cas-alfa, k_p és la constant de velocitat parabòlica i t és la durada. La constant de velocitat kp és proporcional a la pressió parcial d'oxigen a la potència de 0,5. A pressions parcials d'oxigen per sota d'un valor crític, la taxa de creixement del cas alfa-és insignificant per a la vida útil pràctica. Per sobre d'aquest nivell, la taxa de creixement és alta i pot provocar la fragilitat del tub de calefacció de parets primes en mesos.

Creixement quantitatiu de casos alfa- versus pressió parcial d'oxigen a 300 graus

Les proves controlades amb combinacions de nitrogen-oxigen a 300 graus durant 10.000 hores han establert la profunditat de creixement del cas alfa{-per a Ti{-Grau 2. A una pressió parcial d'oxigen de 0,0001 atm (0,01% d'oxigen), el cas alfa- només influeix i, per tant, no és insignificant i, per tant, no és insignificant. qualitats mecàniques. La profunditat és de 5 a 10 µm a 0,0005 atm (0,05% d'oxigen), que és acceptable per a la majoria d'aplicacions amb marge de seguretat. En el llindar crític de 0,001 atm (0,1% d'oxigen), la profunditat del cas alfa-és de 8-15 {micro}m després de 10.000 hores, que és el límit màxim permès. A 0,002 atm (0,2% d'oxigen) la profunditat augmenta a 15-25 µm i s'observa una pèrdua mesurable de ductilitat. A 0,005 atm (0,5% d'oxigen) la profunditat és de 25-40 µm i s'observa una fragilitat considerable. 35–60 µm de profunditat del cas alfa a 0,01 atm (1% d'oxigen) amb esquerdes en el cicle tèrmic. A 0,1 atm (10% d'oxigen, típic de l'aire) la profunditat és de més de 100 µm després de 10.000 hores amb una fragilitat severa.

Efectes de la temperatura i el temps d'exposició sobre la tolerància a l'oxigen

La pressió parcial segura de l'oxigen disminueix bruscament amb la temperatura{0}} µm alfa-profunditat del cas després de 10.000 hores a 300 graus i 0,001 atm O2. A 350 graus i la mateixa pressió d'O2 de 0,001 atm, la profunditat augmenta a 20-35 µm, que està per sobre del límit permès. A 300 C i 0,002 atm O 2 la profunditat és de 15-25 um , de nou més enllà del límit. Les toleràncies a l'oxigen són més altes a temperatures més baixes, amb una profunditat de 10.000 h de només 5-10 µm a 250 graus i 0,005 atm O2. Els nivells d'oxigen més alts poden ser acceptables per a temps d'exposició inferiors a 10.000 hores. La pressió parcial d'oxigen màxima segura durant una exposició de 1000 hores a 300 graus puja a 0,005 atm (0,5% d'oxigen) amb una profunditat de cas alfa de 5-10 μm.

Mantes de nitrogen Guia de control de pressió parcial d'oxigen

La taula següent presenta recomanacions per a les pressions parcials màximes permeses d'oxigen en mantes de nitrogen sobre escalfadors d'immersió de titani en banys de sal eutèctica a 300 graus en funció de la vida útil requerida i de la profunditat admissible del cas alfa-.

Vida útil desitjada (hores) Alfa-Màxima permesa Profunditat de caixa (µm) Pressió parcial d'oxigen segura màxima (atm) Concentració equivalent d'oxigen (%) Puresa de nitrogen recomanada 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9%,{9}%,{9}% 99,9%. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Enginyeria més enllà de la pressió parcial del control d'oxigen

El grau de titani influeix en la cinètica de la producció de casos alfa-. El grau 7 es comporta de manera similar al grau 2 en el cas alfa-per a la mateixa pressió parcial d'oxigen perquè el pal·ladi no canvia significativament la difusió de l'oxigen. El gruix de la paret ofereix un marge de material. Per exemple, una paret de 2,0 mm amb una profunditat de cas alfa-de 20 µm té 1,98 mm de nucli dúctil, que és acceptable, però una paret d'1,0 mm amb el mateix cas-alfa té només 0,98 mm de nucli dúctil que pot ser marginal. S'ha de mantenir un monitor continu de la manta de nitrogen mitjançant un analitzador d'oxigen configurat en alarma al 0,05% d'oxigen (0,0005 atm) per proporcionar un marge de seguretat per sota del límit del 0,1%. La química del bany de sal també pot afectar el creixement del-cas alfa; Les impureses de clorur de la sal augmenten la velocitat de transport d'oxigen.

Especificació informada.

Per a un escalfador d'immersió de titani a 300 graus C en un bany de sal eutèctica amb manta de nitrogen, especifiqueu una pressió parcial màxima d'oxigen de 0,001 atm (0,1 per cent d'oxigen) per a una vida útil de 10.000 hores. El control de l'oxigen a la manta de nitrogen ha de ser continu amb una alarma al 0,05% d'oxigen i un enclavament per tallar l'escalfador si l'oxigen és superior al 0,2%. Especifiqueu nitrogen amb una puresa mínima del 99,9%, punt de rosada per sota de -60 graus per garantir la sequedat. Especifiqueu un 99,95% de nitrogen (0,05%O₂) per a una vida útil més llarga de més de 20.000 hores o instal·leu un sistema d'obtenció d'oxigen. Durant la posada en marxa és important comprovar el nivell d'oxigen a la superfície de l'escalfador, no només a l'entrada de subministrament de gas, ja que l'aire pot entrar a través dels segells. Per evitar el creixement accelerat del cas alfa i la fragilitat dels escalfadors de titani en el servei de bany de sal d'alta temperatura, l'enginyer controla la pressió parcial d'oxigen a menys de 0,001 atm.