Quelle est la pression partielle d'oxygène maximale sûre (atm) dans une couverture d'azote au-dessus d'un thermoplongeur en titane fonctionnant à 300 degrés dans un bain de sel eutectique pour éviter la croissance accélérée des cas alpha - ?

Les thermoplongeurs en titane sont protégés de l'oxydation par une couverture d'azote dans un bain de sel eutectique à 300 degrés. Cependant, si de l'oxygène est disponible dans la couverture d'azote, l'oxygène peut pénétrer jusqu'à la surface du titane et former une couche de cas alpha-enrichie en oxygène. Cette couche fragile diminue la durée de vie en fatigue et la ductilité. Le taux de croissance du cas alpha- est parabolique, la profondeur étant proportionnelle à la racine carrée du temps multipliée par la pression partielle d'oxygène. Il s'agit de la pression partielle d'oxygène la plus élevée pouvant être utilisée en toute sécurité pour éviter une croissance accélérée des cas alpha- (c'est-à-dire moins de 10 m de cas alpha- après 10 000 heures de fonctionnement) . Au-dessus de ce niveau, le taux de croissance du cas alpha- augmente rapidement, provoquant une fragilisation et une défaillance précoce.

Mécanisme de formation de cas alpha-par l'oxygène à 300 degrés

À 300 degrés, l'oxygène diffuse interstitiellement dans le réseau de titane, stabilisant ainsi la phase alpha. La couche de boîtier alpha-est plus dure, généralement 300 à 500 HV contre 180 à 220 HV pour le métal de base et est essentiellement non-ductile. La croissance du cas alpha-est donnée par l'équation d^2=k_p * t, où d est la profondeur du cas alpha-, k_p est la constante de taux parabolique et t est la durée. La constante de vitesse kp est proportionnelle à la pression partielle d'oxygène à la puissance 0,5. À des pressions partielles d'oxygène inférieures à une valeur critique, le taux de croissance du cas alpha- est négligeable pour les durées de vie pratiques de service. Au-dessus de ce niveau, le taux de croissance est élevé et peut entraîner une fragilisation du tube chauffant à paroi mince en quelques mois.

Croissance quantitative du cas alpha- par rapport à la pression partielle d'oxygène à 300 degrés

Des tests contrôlés avec des combinaisons azote-oxygène à 300 degrés pendant 10 000 heures ont établi la profondeur de croissance du cas alpha-pour Ti-Grade 2. À une pression partielle d'oxygène de 0,0001 atm (0,01 % d'oxygène), le cas alpha-n'a qu'une profondeur de 2 à 5 µm et est donc insignifiant et n'influence pas les qualités mécaniques. La profondeur est de 5 à 10 µm à 0,0005 atm (0,05 % d'oxygène), ce qui est acceptable pour la plupart des applications avec une marge de sécurité. Au seuil critique de 0,001 atm (0,1 % d'oxygène), la profondeur du boîtier alpha-est de 8-15 {micro}m après 10 000 heures, ce qui est la limite maximale autorisée. À 0,002 atm (0,2 % d'oxygène), la profondeur augmente jusqu'à 15-25 µm et une perte mesurable de ductilité est observée. À 0,005 atm (0,5 % d'oxygène), la profondeur est de 25 à 40 µm et une fragilisation considérable est observée . 35–60 µm de profondeur du boîtier alpha à 0,01 atm (1 % d'oxygène) avec fissuration lors du cycle thermique. À 0,1 atm (10 % d'oxygène, typique de l'air), la profondeur est supérieure à 100 µm après 10 000 heures avec une fragilisation sévère.

Effets de la température et de la durée d'exposition sur la tolérance à l'oxygène

La pression partielle sûre de l'oxygène diminue fortement avec la température . 8-15 µm alpha-profondeur du boîtier après 10 000 heures à 300 degrés et 0,001 atm d'O2. À 350 degrés et avec la même pression d'O2 de 0,001 atm, la profondeur augmente jusqu'à 20-35 µm, ce qui est supérieur à la limite autorisée. À 300 C et 0,002 atm O 2, la profondeur est de 15-25 um, encore une fois au-delà de la limite. Les tolérances à l'oxygène sont plus élevées à des températures plus basses, avec une profondeur de 10 000 heures de seulement 5 à 10 µm à 250 degrés et 0,005 atm d'O2. Des niveaux d'oxygène plus élevés peuvent être acceptables pour des durées d'exposition inférieures à 10 000 heures. La pression partielle maximale sûre d'oxygène au cours d'une exposition de 1 000 heures à 300 degrés grimpe jusqu'à 0,005 atm (0,5 % d'oxygène) avec une profondeur de cas alpha de 5 à 10 μm.

Guide de contrôle de la pression partielle d'oxygène des couvertures d'azote

Le tableau suivant présente des recommandations pour les pressions partielles maximales admissibles d'oxygène dans les couvertures d'azote sur les thermoplongeurs en titane dans des bains de sel eutectique à 300 degrés en fonction de la durée de vie requise et de la profondeur de boîtier alpha-autorisée.

Durée de vie souhaitée (heures) Alpha maximum autorisé-Profondeur du boîtier (µm) Pression partielle d'oxygène maximale sûre (atm) Concentration équivalente en oxygène (%) Pureté d'azote recommandée 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 %
Ingénierie au-delà de la pression partielle du contrôle de l'oxygène

La qualité du titane influence la cinétique de production des boîtiers alpha-. Le grade 7 se comporte de la même manière que le grade 2 dans le cas alpha- pour la même pression partielle d'oxygène, car le palladium ne modifie pas de manière significative la diffusion de l'oxygène. L'épaisseur de la paroi offre une marge de matériau. Par exemple, un mur de 2,0 mm avec une profondeur de boîtier alpha-de 20 µm a 1,98 mm de noyau ductile, ce qui est acceptable, mais un mur de 1,0 mm avec le même boîtier alpha- n'a que 0,98 mm de noyau ductile, ce qui peut être marginal. Une surveillance continue de la couverture d'azote doit être maintenue à l'aide d'un analyseur d'oxygène réglé sur une alarme à 0,05 % d'oxygène (0,0005 atm) pour fournir une marge de sécurité inférieure à la limite de 0,1 %. La chimie du bain de sel peut également affecter la croissance des cas alpha- ; les impuretés de chlorure présentes dans le sel augmentent le taux de transport de l'oxygène.

Spécification éclairée.

Pour un thermoplongeur en titane à 300 °C dans un bain de sel eutectique avec couverture d'azote, spécifiez une pression partielle d'oxygène maximale de 0,001 atm (0,1 % d'oxygène) pour une durée de vie de 10 000 heures. La surveillance de l'oxygène dans la couverture d'azote doit être continue avec une alarme à 0,05 % d'oxygène et un verrouillage pour couper le chauffage si l'oxygène est supérieur à 0,2 %. Spécifiez de l'azote d'une pureté minimale de 99,9 %, un point de rosée inférieur à -60 degrés pour garantir la sécheresse. Spécifiez 99,95 % d'azote (0,05 % O₂) pour une durée de vie plus longue de plus de 20 000 heures ou installez un système getter d'oxygène. Lors de la mise en service, il est important de vérifier le niveau d'oxygène sur la surface du réchauffeur, et pas seulement à l'entrée d'alimentation en gaz, car l'air peut pénétrer à travers les joints. Pour éviter une croissance accélérée du boîtier alpha et une fragilisation des éléments chauffants en titane lors d'un service de bain de sel à haute température, l'ingénieur contrôle la pression partielle d'oxygène à moins de 0,001 atm.