Welche Oberflächenbeschaffenheit (Ra-Wert) sorgt für die längste Induktionszeit für Lochfraß, wenn ein elektrisches Heizelement aus Titan in eine Eisenchlorid-Ätzlösung (42 Grad Bé, 50 Grad) eingetaucht wird?

Kompromiss-für Titan-Oberflächenbeschaffenheit im Eisenchlorid-Service Eisenchlorid (FeCl 3 )-Ätzlösungen sind stark oxidierend und stark korrosiv gegenüber den meisten Metallen. Typisches Eisenchlorid ist 42 Grad Be (ungefähr 40 % FeCl 3 ). Der Grund für die Wahl von Titan wegen seiner Beständigkeit gegenüber FeCl3 war die passive TiO2-Schicht. Eine örtliche Zerstörung des Passivfilms tritt jedoch bei mikroskaligen Oberflächendefekten, Einschlüssen oder Rissen auf und wird als Lochfraß bezeichnet. Der Oberflächenglanz, definiert durch die durchschnittliche Rauheit Ra, wirkt sich direkt auf die Anzahl und Größe potenzieller Lochfraß-Keimbildungsstellen aus. Die glattere Oberfläche (niedriger Ra) eliminiert kleine Risse und verringert die Anzahl der Stellen, an denen sich Chloridionen konzentrieren können. Eine sehr glatte Oberfläche (Ra < 0,2 µm) erfordert Elektropolieren oder mechanisches Polieren und erhöht die Kosten. In der vorliegenden Arbeit wurde die Beziehung zwischen Ra-Wert und Lochfraßinduktionszeit in 42 Grad Bé FeCl3 bei 50 Grad gemessen und die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt, die zur längsten Zeit bis zur Lochfraßbildung führte. Auswirkungen der mechanischen Integrität: Oberflächenrauheit und Entstehung von Lochfraß. Lochfraßbildung bei Titan in Eisenchloridlösung beginnt an Stellen, an denen die passive Beschichtung am schwächsten ist oder wo Risse die Ansammlung von Chlorid erleichtern. In einer rauen Oberfläche (Ra > 1,0 µm) sind die Täler mikrorissartig. Diese Täler haben typischerweise eine Breite von 5–20 µm und die Tiefe liegt in der Größenordnung des Ra-Werts. In diesen Tälern sammeln sich aufgrund von Diffusionsbeschränkungen Chloridionen an und der lokale pH-Wert sinkt aufgrund der Hydrolyse von Metallchloriden, was zu Lochfraß führt. Auf einer glatten Oberfläche (Ra < 0,4 µm) sind die Täler flach (<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 Monate, da Oberflächenrauheit und Lochfraßpotential einen exponentiellen Zusammenhang haben. Die mechanisch polierten Oberflächen (Ra=0.2–0,6 µm) haben mittlere Induktionsperioden von 300–2000 Stunden und eignen sich für weniger anspruchsvolle Anwendungen. Elektropolieren hat keine nennenswerten Wärmeeinbußen. Geben Sie Heizgeräte für das Ätzen von Eisenchlorid mit elektropolierter Oberflächenbeschaffenheit, verifiziert Ra < 0,15 Mikron, und Passivierung in 20 %iger Salpetersäure nach dem Polieren an. Allerdings werden die höheren Endbearbeitungskosten durch die Vermeidung von Lochfraßproblemen und die längere Lebensdauer ausgeglichen. Wählen Sie die Oberflächenbeschaffenheit, die für die erwartete Laufzeit zwischen den Wartungsintervallen am besten geeignet ist. Elektropolieren wird bei jeder Anwendung über 1.000 Stunden empfohlen.