การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในการเคลือบพื้นผิวไทเทเนียมสำหรับบริการเฟอร์ริกคลอไรด์
สารละลายกัดกร่อนเฟอริกคลอไรด์ (FeCl₃) โดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิ 42 องศาบี (ประมาณ 40% FeCl₃) มีฤทธิ์ออกซิไดซ์สูงและมีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรงกับโลหะส่วนใหญ่ ไทเทเนียมถูกเลือกเนื่องจากมีความต้านทานต่อ FeCl₃ เนื่องจากฟิล์ม TiO₂ แบบพาสซีฟ อย่างไรก็ตาม การเกิดรูพรุนเกิดขึ้นเมื่อฟิล์มพาสซีฟแตกตัวเฉพาะจุด ซึ่งมักอยู่ที่ข้อบกพร่องที่พื้นผิว มีการรวมอยู่ หรือรอยแยกของกล้องจุลทรรศน์ พื้นผิวสำเร็จ-ซึ่งวัดจากความหยาบเฉลี่ย Ra- มีผลโดยตรงต่อจำนวนและขนาดของบริเวณที่เป็นจุดเริ่มเกิดหลุม พื้นผิวที่เรียบเนียนกว่า (Ra ต่ำ) จะช่วยขจัดรอยแยกเล็กๆ น้อยๆ และลดความพร้อมของบริเวณที่ไอออนของคลอไรด์อาจมีความเข้มข้น อย่างไรก็ตาม การได้พื้นผิวที่เรียบมาก (Ra < 0.2 µm) ต้องใช้การขัดเงาด้วยไฟฟ้าหรือการขัดเชิงกล ซึ่งจะทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น การวิเคราะห์นี้หาปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างค่า Ra และเวลาเหนี่ยวนำให้เกิดหลุมใน 42 องศา Bé FeCl₃ ที่ 50 องศา โดยระบุผิวสำเร็จที่จะช่วยเพิ่มเวลาสูงสุดก่อนการเริ่มต้นหลุม
ผลกระทบต่อความสมบูรณ์ทางกล: การเริ่มต้นของการเกิดหลุมและความขรุขระของพื้นผิว
ในสารละลายเฟอร์ริกคลอไรด์ การเกิดรูบนไททาเนียมจะเกิดขึ้นที่บริเวณที่ฟิล์มพาสซีฟบางที่สุดหรือบริเวณที่รอยแยกทำให้เกิดการสะสมของคลอไรด์ บนพื้นผิวขรุขระ (Ra > 1.0 µm) หุบเขาจะทำหน้าที่เป็นรอยแยกขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปความกว้างของหุบเขาเหล่านี้จะอยู่ที่ 5–20 µm และความลึกเทียบได้กับค่า Ra ไอออนของคลอไรด์กระจุกตัวอยู่ในหุบเขาเหล่านี้ผ่านข้อจำกัดในการแพร่กระจาย และค่า pH ในท้องถิ่นลดลงเนื่องจากการไฮโดรไลซิสของคลอไรด์ของโลหะ ทำให้เกิดการเกิดรูพรุน บนพื้นผิวเรียบ (Ra < 0.4 µm) หุบเขาจะตื้น (<1 µm depth) and wide relative to their depth, allowing oxygen diffusion to maintain passivity. Electrochemical measurements in 42° Bé FeCl₃ at 50°C show that the pitting potential (E_pit) of Grade 2 titanium increases as surface roughness decreases. For an as-drawn surface (Ra = 1.5 µm), E_pit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. For a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm), E_pit = +0.85 V. For an electropolished surface (Ra = 0.1 µm), E_pit = +0.95 V. The open-circuit potential in FeCl₃ is approximately +0.55 V. Therefore, as-drawn surfaces are very close to the pitting potential, while electropolished surfaces have a 400 mV safety margin. The induction time-the time from immersion to first detectable pitting-scales exponentially with the difference between E_pit and the open-circuit potential. A 100 mV increase in E_pit extends induction time by a factor of approximately 10.
ผลกระทบต่อสมรรถนะด้านความร้อน: พื้นผิวและการถ่ายเทความร้อน
การตกแต่งพื้นผิวยังส่งผลต่อการถ่ายเทความร้อนด้วย แม้ว่าผลกระทบจะรองจากความต้านทานการเกิดรูพรุนก็ตาม พื้นผิวที่หยาบกว่าจะมีพื้นที่ผิวจริงที่ใหญ่กว่า (โดยทั่วไปเป็น 2–5 เท่าของพื้นที่ที่ฉายไว้สำหรับ Ra=1.5 µm) ซึ่งในทางทฤษฎีช่วยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนโดยการเพิ่มพื้นที่สัมผัสด้วยสารละลายเฟอร์ริกคลอไรด์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ความหนาของชั้นการพาความร้อน (โดยทั่วไปคือ 50–200 µm) มีขนาดใหญ่กว่าคุณสมบัติความหยาบมาก ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจึงแทบไม่ขึ้นอยู่กับ Ra สำหรับค่าที่ต่ำกว่า 5 µm การขัดเงาด้วยไฟฟ้า (Ra=0.1 µm) ช่วยลดพื้นที่ผิวจริงลงประมาณ 5% เมื่อเทียบกับพื้นผิวที่ขัดเงาด้วยเครื่องจักร ส่งผลให้มีน้อยมาก (<<1%) reduction in heat transfer. Therefore, there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.
การสังเคราะห์การแลกเปลี่ยน-: ค่า Ra เทียบกับเวลาการเหนี่ยวนำแบบ Pitting
| พื้นผิวเสร็จสิ้น | ค่า Ra (µm) | วิธี | E_pit (V เทียบกับ Ag/AgCl) | เวลาเหนี่ยวนำสู่หลุมแรก (ชั่วโมง 42 องศา Bé FeCl₃, 50 องศา ) | ปัจจัยต้นทุนสัมพัทธ์ |
|---|---|---|---|---|---|
| ตามที่-วาดไว้ (โรงสีเสร็จ) | 1.2 – 1.8 | ไม่มี | +0.65 V | 20 – 40 ชั่วโมง | 1.0× |
| ดอง (กรดขจัดตะกรัน) | 0.8 – 1.2 | 10% HNO₃ + 2% การจุ่ม HF | +0.70 V | 50 – 100 ชั่วโมง | 1.1× |
| ขัดเงาด้วยเครื่องจักร (320 กรวด) | 0.4 – 0.6 | การขัดสายพานหรือล้อ | +0.80 V | 300 – 500 ชม | 1.5× |
| ขัดเงาด้วยเครื่องจักร (600 กรวด) | 0.2 – 0.3 | ขัดขัดละเอียด | +0.88 V | 1,000 – 2,000 ชม | 2.0× |
| ขัดเงาด้วยไฟฟ้า (ผิวสว่าง) | 0.08 – 0.15 | การขัดด้วยไฟฟ้าเคมี | +0.95 V | >5,000 ชม | 2.5× |
ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้า (Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.15 µm) ให้เวลาการเหนี่ยวนำของรูพรุนเกิน 5,000 ชั่วโมง (มากกว่า 6 เดือนของการทำงานต่อเนื่อง) ในขณะที่-ดึงพื้นผิวของหลุมภายใน 1–2 วัน การปรับปรุงเป็นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลโดยที่ Ra ลดลง
วิศวกรรมที่เหนือกว่าการตกแต่ง: การทำฟิล์มและ-การขัดเงาหลัง
เพื่อการต้านทานการเกิดรูพรุนสูงสุด การขัดเงาด้วยไฟฟ้าควรตามด้วยขั้นตอนการฟิล์มด้วยกรดไนตริก (20% HNO₃ ที่ 50 องศา เป็นเวลา 30 นาที) การบำบัดนี้จะทำให้ชั้น TiO₂ ปราศจากข้อบกพร่อง-สม่ำเสมอขึ้น ซึ่งมีความหนาและเสถียรมากกว่าฟิล์มพาสซีฟตามธรรมชาติ ในการให้บริการเฟอร์ริกคลอไรด์ ไทเทเนียมขัดเงาด้วยไฟฟ้าที่ผ่านการเคลือบแล้วจะไม่เกิดรูพรุนหลังจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการเป็นเวลา 10,000 ชั่วโมง สำหรับการใช้งานที่การขัดเงาด้วยไฟฟ้ามีค่าใช้จ่ายสูง-ต้องห้าม การขัดด้วยเครื่องจักรขนาด 600 กรวด (Ra γ 0.25 µm) ตามด้วยการทู่ฟิล์มจะให้เวลาเหนี่ยวนำที่ 1,000–2,000 ชั่วโมง ซึ่งเพียงพอสำหรับการดำเนินการกัดแบบเป็นชุดหลายครั้งโดยถอดเครื่องทำความร้อนออกและทำความสะอาดระหว่างชุดงาน สิ่งสำคัญคือการหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนบนพื้นผิว (อนุภาคเหล็ก จาระบี หรือสารกัดกร่อนที่ฝังอยู่) ที่สามารถทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของรูพรุนได้
สรุป: ขัดเงาด้วยไฟฟ้า (Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.15 µm) ให้เวลาการเหนี่ยวนำที่ยาวที่สุด
สำหรับองค์ประกอบความร้อนไฟฟ้าไทเทเนียมที่แช่ในสารละลายกัดกรด Bé ferric คลอไรด์ 42 องศาที่ 50 องศา พื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้าด้วย Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.15 µm จะให้เวลาการเหนี่ยวนำที่ยาวนานที่สุดสำหรับการเจาะแบบรูพรุน ซึ่งเกิน 5,000 ชั่วโมงของการบริการต่อเนื่อง การปรับปรุงในช่วง-พื้นผิวที่วาดไว้ (Ra γ 1.5 µm) นั้นน่าทึ่งมาก-ตั้งแต่ 1–2 วันไปจนถึงมากกว่า 6 เดือน-เนื่องมาจากความสัมพันธ์แบบเอ็กซ์โปเนนเชียลระหว่างความหยาบของพื้นผิวและศักยภาพของการเกิดหลุม พื้นผิวขัดเงาด้วยกลไก (Ra=0.2–0.6 µm) ให้เวลาการเหนี่ยวนำปานกลางที่ 300–2,000 ชั่วโมง เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการน้อย ไม่มีการลงโทษทางความร้อนที่สำคัญสำหรับการขัดเงาด้วยไฟฟ้า เมื่อระบุเครื่องทำความร้อนสำหรับการกัดด้วยเฟอร์ริกคลอไรด์ จำเป็นต้องมีการขัดพื้นผิวด้วยไฟฟ้าด้วย Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.15 µm ที่ผ่านการรับรอง และ-การขัดเงาหลังการขัดเงาด้วยกรดไนตริก 20% ต้นทุนการตกแต่งที่สูงขึ้นนั้นได้รับการพิสูจน์โดยการกำจัด-ความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับการเจาะหลุมและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ระบุเวลาการทำงานต่อเนื่องที่คาดหวังระหว่างช่วงการบำรุงรักษาเพื่อเลือกพื้นผิวที่เหมาะสม โดยแนะนำให้ขัดด้วยไฟฟ้าสำหรับการใช้งานใดๆ ที่เกิน 1,000 ชั่วโมง
