Wie hoch ist der maximale sichere Sauerstoffpartialdruck (atm) in einer Stickstoffdecke über einem Titan-Tauchsieder, der bei 300 Grad in einem eutektischen Salzbad betrieben wird, um ein beschleunigtes Wachstum von Alpha--Fällen zu vermeiden?

Titan-Tauchsieder werden durch eine Stickstoffdecke in einem eutektischen Salzbad bei 300 Grad vor Oxidation geschützt. Wenn jedoch Sauerstoff in der Stickstoffdecke verfügbar ist, kann Sauerstoff zur Titanoberfläche eindringen und eine mit Sauerstoff angereicherte Alpha--Kastenschicht bilden. Diese spröde Schicht verringert die Ermüdungslebensdauer und die Duktilität. Die Wachstumsrate des Alpha--Falls ist parabolisch, wobei die Tiefe proportional zur Quadratwurzel der Zeit multipliziert mit dem Sauerstoffpartialdruck ist. Dies ist der höchste Sauerstoffpartialdruck, der sicher verwendet werden kann, um ein beschleunigtes Wachstum von Alpha--Fällen zu vermeiden (d. h. weniger als 10 m Alpha-Fälle nach 10.000 Betriebsstunden). Oberhalb dieses Wertes nimmt die Wachstumsrate des Alpha--Falls rapide zu, was zu Versprödung und frühem Versagen führt.

Mechanismus der Alpha--Kastenbildung durch Sauerstoff bei 300 Grad

Bei 300 Grad diffundiert Sauerstoff interstitiell in das Titangitter und stabilisiert die Alpha-Phase. Die Alpha-Case-Schicht ist härter, typischerweise 300–500 HV im Vergleich zu 180–220 HV für das Grundmetall, und im Wesentlichen nicht{7}}duktil. Das Wachstum des Alpha--Falls wird durch die Gleichung d^2=k_p * t angegeben, wobei d die Tiefe des Alpha--Falls, k_p die parabolische Geschwindigkeitskonstante und t die Dauer ist. Die Geschwindigkeitskonstante kp ist proportional zum Sauerstoffpartialdruck hoch 0,5. Bei Sauerstoffpartialdrücken unter einem kritischen Wert ist die Wachstumsrate des Alpha--Falls für die praktische Lebensdauer vernachlässigbar. Oberhalb dieses Wertes ist die Wachstumsrate hoch und kann innerhalb von Monaten zur Versprödung des dünnwandigen Heizrohrs führen.

Quantitatives Alpha-Fallwachstum im Vergleich zum Sauerstoffpartialdruck bei 300 Grad

Kontrollierte Tests mit Stickstoff-Sauerstoff-Kombinationen bei 300 Grad über 10.000 Stunden haben die Alpha-Fall-Wachstumstiefe für Ti-Grad 2 ermittelt. Bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0,0001 atm (0,01 % Sauerstoff) ist der Alpha-Fall nur 2–5 µm tief und daher unbedeutend und hat keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Die Tiefe beträgt 5–10 µm bei 0,0005 atm (0,05 % Sauerstoff), was für die meisten Anwendungen mit Sicherheitsspielraum akzeptabel ist. Bei der kritischen Schwelle von 0,001 atm (0,1 % Sauerstoff) beträgt die Alpha-Falltiefe nach 10.000 Stunden 8-15 {Mikro}m, was den maximal zulässigen Grenzwert darstellt. Bei 0,002 atm (0,2 % Sauerstoff) erhöht sich die Tiefe auf 15–25 µm und es wird ein messbarer Verlust der Duktilität beobachtet. Bei 0,005 atm (0,5 % Sauerstoff) beträgt die Tiefe 25–40 µm und es wird eine beträchtliche Versprödung beobachtet . 35–60 µm Alpha-Case-Tiefe bei 0,01 atm (1 % Sauerstoff) mit Rissbildung bei thermischen Zyklen. Bei 0,1 atm (10 % Sauerstoff, typisch für Luft) beträgt die Tiefe nach 10.000 Stunden mehr als 100 µm mit starker Versprödung.

Auswirkungen von Temperatur und Expositionszeit auf die Sauerstofftoleranz

Der sichere Sauerstoffpartialdruck nimmt mit der Temperatur . 8-15 µm Alpha-Gehäusetiefe nach 10.000 Stunden bei 300 Grad und 0,001 atm O2 steil ab. Bei 350 Grad und dem gleichen O2-Druck von 0,001 atm steigt die Tiefe auf 20–35 µm, was über dem zulässigen Grenzwert liegt. Bei 300 °C und 0,002 atm O 2 beträgt die Tiefe 15-25 µm, wiederum jenseits des Grenzwerts. Die Sauerstofftoleranzen sind bei niedrigeren Temperaturen höher, mit einer 10.000-Stunden-Tiefe von nur 5–10 µm bei 250 Grad und 0,005 atm O2. Bei Expositionszeiten von weniger als 10.000 Stunden können höhere Sauerstoffwerte akzeptabel sein. Der maximale sichere Sauerstoffpartialdruck während einer 1000-stündigen Exposition bei 300 Grad steigt auf 0,005 atm (0,5 % Sauerstoff) mit einer Alpha-Case-Tiefe von 5–10 μm.

Anleitung zur Kontrolle des Sauerstoffpartialdrucks für Stickstoffdecken

Die folgende Tabelle enthält Empfehlungen für die maximal zulässigen Sauerstoffpartialdrücke in Stickstoffschichten über Titan-Tauchsiedern in eutektischen Salzbädern bei 300 Grad in Abhängigkeit von der erforderlichen Lebensdauer und der zulässigen Alpha--Verhärtungstiefe.

Gewünschte Lebensdauer (Stunden) Maximal zulässige Alpha-Hüllentiefe (µm) Maximaler sicherer Sauerstoffpartialdruck (atm) Äquivalente Sauerstoffkonzentration (%)Empfohlene Stickstoffreinheit 5,000 10 0.002 0.2 % 99,8 % 10,000 10 0.001 0.1 % 99,9 % 20,000 15 0.0005 0.05 % 99,95 % 50,000 20 0.0002 0.02 % 99,98 % 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99 %
Technik über die Kontrolle des Sauerstoffpartialdrucks hinaus

Der Titangrad beeinflusst die Kinetik der Alpha{0}}-Gehäuseproduktion. Grad 7 verhält sich bei gleichem Sauerstoffpartialdruck ähnlich wie Grad 2 im Alpha--Fall, da Palladium die Sauerstoffdiffusion nicht wesentlich verändert. Die Wandstärke bietet eine Materialzugabe. Beispielsweise hat eine 2,0-mm-Wand mit einer Alpha--Hüllentiefe von 20 µm einen duktilen Kern von 1,98 mm, was akzeptabel ist, aber eine 1,0-mm-Wand mit der gleichen Alpha--Hülle hat nur 0,98 mm duktilen Kern, was möglicherweise marginal ist. Eine kontinuierliche Überwachung der Stickstoffdecke sollte mit einem Sauerstoffanalysator aufrechterhalten werden, der auf einen Alarm bei 0,05 % Sauerstoff (0,0005 atm) eingestellt ist, um eine Sicherheitsmarge unterhalb der 0,1 %-Grenze zu gewährleisten. Die Salzbadchemie kann auch das Wachstum von Alpha-Fällen beeinflussen; Chloridverunreinigungen im Salz erhöhen die Geschwindigkeit des Sauerstofftransports.

Informierte Spezifikation.

Geben Sie für einen Tauchsieder aus Titan bei 300 °C in einem eutektischen Salzbad mit Stickstoffabdeckung einen maximalen Sauerstoffpartialdruck von 0,001 atm (0,1 Prozent Sauerstoff) für eine Lebensdauer von 10.000 Stunden an. Die Sauerstoffüberwachung in der Stickstoffdecke sollte kontinuierlich erfolgen, mit einem Alarm bei 0,05 % Sauerstoff und einer Sperre zum Abschalten der Heizung, wenn der Sauerstoffgehalt mehr als 0,2 % beträgt. Geben Sie Stickstoff mit einer Reinheit von mindestens 99,9 % und einem Taupunkt unter -60 Grad an, um Trockenheit sicherzustellen. Geben Sie für eine längere Lebensdauer über 20.000 Stunden 99,95 % Stickstoff (0,05 % O₂) an oder installieren Sie ein Sauerstoffgettersystem. Bei der Inbetriebnahme ist es wichtig, den Sauerstoffgehalt auf der Oberfläche des Heizgeräts zu überprüfen, nicht nur am Gaszufuhreinlass, da Luft durch Dichtungen eindringen kann. Um ein beschleunigtes Wachstum des Alpha-Gehäuses und eine Versprödung von Titanheizgeräten im Hochtemperatur-Salzbadbetrieb zu verhindern, regelt der Ingenieur den Sauerstoffpartialdruck auf weniger als 0,001 atm.