Quan un element calefactor elèctric de titani està immers en una solució de gravat de clorur fèrric (42 graus Bé, 50 graus), quin acabat superficial (valor Ra) proporciona el temps d'inducció més llarg per a la picada?

Compartiment-per l'acabat superficial de titani al servei de clorur fèrric Les solucions de gravat de clorur fèrric (FeCl 3 ) són altament oxidants i altament corrosius per a la majoria dels metalls. El clorur fèrric típic és de 42 graus Be (aproximadament un 40% de FeCl 3 ). El motiu pel qual es va triar el titani per la seva resistència al FeCl3 va ser la capa passiva de TiO2. Tanmateix, la destrucció localitzada de la pel·lícula passiva es produeix a microescala defectes superficials, inclusions o esquerdes i s'anomena pitting. El poliment de la superfície, definit per la rugositat mitjana Ra, afecta directament el nombre i la mida dels llocs potencials de nucleació de perforacions. La superfície més llisa (ra baixa) elimina petites esquerdes i redueix el nombre d'ubicacions on es poden concentrar els ions de clorur. La superfície molt llisa (Ra < 0,2 µm) requereix un polit electrològic o un poliment mecànic i augmenta la despesa. En el present treball, es va mesurar la relació entre el valor de Ra i el temps d'inducció de pitting a 42 graus Bé FeCl3 a 50 graus i es va identificar l'acabat superficial que va donar lloc al temps més llarg fins a l'inici de la fosa. Efectes de la integritat mecànica: rugositat superficial i inici de la picada La picada del titani en la solució de clorur fèrric s'inicia en llocs on el recobriment passiu és més feble o on les fissures faciliten l'acumulació de clorur. En una superfície rugosa (Ra > 1,0 µm), les valls són microfissures. Aquests abeuradors solen tenir una amplada de 5-20 um i la profunditat és de l'ordre del valor Ra. En aquestes valls s'acumulen ions de clorur a causa de les limitacions de difusió i el pH local baixa a causa de la hidròlisi dels clorurs metàl·lics que provoca picat. En una superfície llisa (Ra < 0,4 µm) les valls són poc profundes (<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 mesos, ja que la rugositat superficial i el potencial de picat tenen una connexió exponencial. Les superfícies polides mecànicament (Ra=0.2–0,6 µm) tenen períodes d'inducció intermedis de 300 a 2000 hores, adequats per a aplicacions menys exigents. L'electropolit no té una penalització de calor significativa. Especifiqueu escalfadors per gravat amb clorur fèrric amb acabat superficial electropolit verificat Ra < 0,15 micres i passivació en àcid nítric post polit al 20%. No obstant això, el major cost d'acabat es compensa amb l'evitació de les dificultats relacionades amb la picada i la vida útil més llarga. Seleccioneu l'acabat superficial més adequat per al temps d'execució previst entre els intervals de manteniment. Es recomana l'electropolit per a qualsevol aplicació que superi les 1.000 hores.