Compromis-pour la finition de surface en titane dans le service de chlorure ferrique
Les solutions de gravure au chlorure ferrique (FeCl 3 ) sont hautement oxydantes et agressivement corrosives pour la plupart des métaux. Le chlorure ferrique typique est à 42 degrés Bé (environ 40 % de FeCl 3 ). Le titane a été choisi en raison de sa couche passive de TiO₂, qui le rend résistant au FeCl₃. Cependant, les piqûres sont la dégradation locale du revêtement passif, généralement au niveau de défauts de surface, d'inclusions ou de crevasses à l'échelle microscopique. L'état de surface, mesuré par la rugosité moyenne Ra, a une influence directe sur la quantité et la taille des sites possibles d'initiation des piqûres. Une surface plus lisse (faible Ra) élimine les fissures microscopiques et diminue le nombre de sites de concentration d'ions chlorure. Une surface très lisse (Ra < 0,2 µm) nécessite un électropolissage ou un polissage mécanique et augmente les coûts. L'étude actuelle a déterminé la corrélation entre la valeur Ra ​​et le temps d'induction des piqûres dans du Bé FeCl3 à 42 degrés à 50 degrés et a établi la finition de surface qui fournissait la durée maximale avant l'initiation des piqûres.

Impacts sur l'intégrité mécanique : initiation des piqûres et rugosité de surface
Les piqûres dans une solution de chlorure ferrique sur le titane commencent aux endroits où le film passif est le plus fin ou là où les fissures permettent 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 µm et la profondeur est du même ordre que la valeur Ra. Dans ces vallées, les ions chlorure s'accumulent en raison des contraintes de diffusion et le pH local diminue en raison de l'hydrolyse des chlorures métalliques qui initie les piqûres. Sur une surface lisse (Ra < 0,4 µm), les vallées sont peu profondes (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Performance thermique : effet de la finition de surface et du transfert de chaleur
La finition de surface a également un effet sur le transport de chaleur, mais elle est secondaire par rapport à la résistance aux piqûres. La surface réelle d'une surface plus rugueuse est plus grande (2 à 5 fois la surface projetée pour Ra ​​= 1.5 µm, en général), ce qui, en théorie, améliore le transfert de chaleur en augmentant la surface de contact avec la solution de chlorure ferrique. En fait, cependant, l'épaisseur de la couche limite convective (généralement 50 à 200 µm) est nettement supérieure aux caractéristiques de rugosité et, par conséquent, le coefficient de transfert thermique est presque indépendant de Ra pour des valeurs inférieures à 5 µm. L'électropolissage (Ra=0.1µm) réduit la surface réelle d'environ 5 % par rapport à une surface polie mécaniquement, ce qui entraîne un minimum (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Synthèse du compromis : valeur Ra ​​par rapport au temps d'induction par piqûre
Finition de surface Valeur Ra ​​(µm) Méthode E_pit (V vs. Ag/AgCl) Temps d'induction jusqu'à la première fosse (heures, 42 degrés Bé FeCl3, 50 degrés) Facteur de coût relatif
Tel que-étiré (finition en usine) 1,2 – 1,8 Aucun +0.65 V 20 – 40 heures 1,0× Décapé (détartré à l'acide) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2 % Trempage HF +0.70 V 50 – 100 heures 1,1× Poli mécaniquement (grain 320) 0,4 – 0,6 Polissage de courroie ou de roue +0.80 V 300 – 500 heures 1,5×
Polissage mécanique (grain 600) 0,2 – 0,3 Polissage abrasif fin+0.88 V 2,0× 1,000 - 2 000 heures
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5 000 heures. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 mois de fonctionnement continu) tandis que les-surfaces dessinées se creusent en 1 à 2 jours. L’amélioration croît de façon exponentielle à mesure que Ra diminue.

Ingénierie après la finition : passivation et traitement post-polissage
Pour une meilleure résistance aux piqûres, une surface électropolie doit être suivie d'une étape de passivation à l'acide nitrique (20 % HNO 3 à 50 degrés pendant 30 minutes). Ce traitement conduit à une couche de TiO2 homogène, sans défauts, plus épaisse et plus stable que le film passif naturel. Le titane électropoli passivé en service dans le chlorure ferrique ne montre aucune piqûre après 10 000 heures de tests en laboratoire. Si l'électropolissage est trop coûteux pour l'application, alors le polissage mécanique avec un grain de 600 (Ra ≈ 0,25 µm) et la passivation donneront un temps d'induction de 1 000 à 2 000 heures, ce qui convient à de nombreuses procédures de gravure par lots où l'élément chauffant est retiré et nettoyé entre les lots. L’astuce consiste à éviter les contaminants de surface (particules de fer, graisse ou abrasifs incrustés) qui peuvent servir de sites d’initiation des piqûres.

Conclusion : l'électropoli (Ra inférieur ou égal à 0,15 μm) offre le temps d'induction le plus long
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 mois. Les surfaces polies mécaniquement (Ra=0.2 – 0,6 µm) conduisent à des temps d'induction intermédiaires de 300 à 2 000 heures, adaptés aux applications moins exigeantes. L’électropolissage n’entraîne pas de malus thermique important. Spécifier les éléments chauffants pour la gravure au chlorure ferrique avec finition de surface électropolie vérifiée Ra inférieur ou égal à 0,15 μm et passivation dans de l'acide nitrique à 20 % après polissage. Mais l'augmentation du coût de finition est compensée par l'évitement des problèmes liés aux piqûres-et par la durée de vie plus longue. Choisissez la finition de surface appropriée en fonction du temps de fonctionnement continu prévu entre les intervalles de maintenance. Pour toute application supérieure à 1 000 heures, un électropolissage est suggéré.