Lorsqu'un élément chauffant électrique en titane est immergé dans une solution de gravure au chlorure ferrique (42 degrés Bé, 50 degrés), quelle finition de surface (valeur Ra) offre le temps d'induction le plus long pour les piqûres ?

Compromis pour la finition de surface du titane dans le service de chlorure ferrique Les solutions de gravure au chlorure ferrique (FeCl 3 ) sont hautement oxydantes et très corrosives pour la plupart des métaux. Le chlorure ferrique typique est à 42 degrés Be (environ 40 % de FeCl 3 ). La raison pour laquelle le titane a été choisi pour sa résistance au FeCl3 était la couche passive de TiO2. Cependant, une destruction localisée du film passif se produit au niveau de défauts de surface, d'inclusions ou de fissures à l'échelle microscopique et est appelée piqûre. Le poli de surface, défini par la rugosité moyenne Ra, affecte directement le nombre et la taille des sites potentiels de nucléation par piqûres. La surface plus lisse (faible Ra) élimine les petites fissures et réduit le nombre d'endroits où les ions chlorure peuvent se concentrer. Une surface très lisse (Ra < 0,2 µm) nécessite un électropolissage ou un polissage mécanique et augmente les coûts. Dans le présent travail, la relation entre la valeur Ra ​​et le temps d'induction des piqûres dans du Bé FeCl3 à 42 degrés à 50 degrés a été mesurée et l'état de surface qui a entraîné le temps d'initiation des piqûres le plus long a été identifié. Effets de l'intégrité mécanique : rugosité de surface et initiation des piqûres. Les piqûres du titane dans une solution de chlorure ferrique commencent aux endroits où le revêtement passif est le plus faible ou là où les fissures facilitent l'accumulation de chlorure. Sur une surface rugueuse (Ra > 1,0 µm), les vallées ressemblent à des microfissures. Ces creux ont généralement une largeur de 5 à 20 um et une profondeur de l'ordre de la valeur Ra. Dans ces vallées, les ions chlorure s'accumulent en raison des limitations de diffusion et le pH local chute en raison de l'hydrolyse des chlorures métalliques qui provoque des piqûres. Sur une surface lisse (Ra < 0,4 µm), les vallées sont peu profondes (<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 mois, car la rugosité de la surface et le potentiel de piqûres ont une relation exponentielle. Les surfaces polies mécaniquement (Ra=0.2 – 0,6 µm) ont des périodes d'induction intermédiaires de 300 à 2 000 heures, adaptées aux applications moins exigeantes. L’électropolissage n’entraîne aucune pénalité thermique significative. Spécifiez les appareils de chauffage pour la gravure au chlorure ferrique avec une finition de surface électropolie vérifiée Ra < 0,15 micron et une passivation dans un post-polissage à l'acide nitrique à 20 %. Cependant, le coût de finition plus élevé est compensé par l'évitement des difficultés liées aux piqûres et par la durée de vie plus longue. Sélectionnez la finition de surface la plus appropriée pour la durée d'exécution prévue entre les intervalles de maintenance. L'électropolissage est recommandé pour toute application dépassant 1 000 heures.