Wat is de maximale veilige partiële zuurstofdruk (atm) in een stikstofdeken boven een titanium dompelverwarmer die op 300 graden werkt in een eutectisch zoutbad om versnelde groei van alfa-gevallen te voorkomen?
Laat een bericht achter
Titanium dompelaars worden tegen oxidatie beschermd door een stikstofdeken in een eutectisch zoutbad van 300 graden. Als er echter zuurstof beschikbaar is in de stikstofdeken, kan zuurstof het titaniumoppervlak binnendringen en een met zuurstof verrijkte alfa--laag vormen. Deze brosse laag vermindert de vermoeiingslevensduur en ductiliteit. De groeisnelheid van het alfa-geval is parabolisch, waarbij de diepte evenredig is met de wortel uit de tijd maal de partiële zuurstofdruk. Dit is de hoogste partiële zuurstofdruk die veilig kan worden gebruikt om een versnelde groei van alfa-gevallen te voorkomen (dat wil zeggen minder dan 10 m alfa-gevallen na 10.000 bedrijfsuren). Boven dit niveau neemt de groeisnelheid van alfa-gevallen snel toe, wat verbrossing en vroegtijdig falen veroorzaakt.
Mechanisme van alfa-Casevorming door zuurstof op 300 graden
Bij 300 graden diffundeert zuurstof interstitieel in het titaniumrooster en stabiliseert de alfafase. De alfa{2}}laag is harder, doorgaans 300–500 HV vergeleken met 180–220 HV voor het basismetaal, en is in wezen niet-ductiel. De groei van het alfa-geval wordt gegeven door de vergelijking d^2=k_p * t, waarbij d de diepte van het alfa-geval is, k_p de parabolische snelheidsconstante is en t de duur is. De snelheidsconstante kp is evenredig met de partiële zuurstofdruk tot de macht 0,5. Bij een partiële zuurstofdruk onder een kritische waarde is de groeisnelheid van het alfa-geval verwaarloosbaar voor de praktische levensduur. Boven dit niveau is de groeisnelheid hoog en kan binnen enkele maanden leiden tot verbrossing van de dunwandige verwarmingsbuis.
Kwantitatieve alfa-Casegroei versus partiële zuurstofdruk bij 300 graden
Gecontroleerde tests met stikstof-zuurstofcombinaties bij 300 graden gedurende 10.000 uur hebben alfa-gevalsdiepte van groei vastgesteld voor Ti-graad 2. Bij een partiële zuurstofdruk van 0,0001 atm (0,01% zuurstof) is het alfa-geval slechts 2-5 µm diep en daarom onbeduidend en heeft het geen invloed op de mechanische eigenschappen. De diepte is 5–10 µm bij 0,0005 atm (0,05% zuurstof), wat acceptabel is voor de meeste toepassingen met een veiligheidsmarge. Bij de kritische drempel van 0,001 atm (0,1% zuurstof) bedraagt de alfa-gevalsdiepte 8-15 {micro}m na 10.000 uur, wat de maximaal toegestane limiet is. Bij 0,002 atm (0,2% zuurstof) wordt de diepte vergroot tot 15–25 µm en wordt een meetbaar verlies aan ductiliteit waargenomen. Bij 0,005 atm (0,5% zuurstof) is de diepte 25-40 µm en wordt er een aanzienlijke verbrossing waargenomen. 35–60 µm alfa-gevalsdiepte bij 0,01 atm (1% zuurstof) met scheuren tijdens thermische cycli. Bij 0,1 atm (10% zuurstof, typisch voor lucht) is de diepte na 10.000 uur meer dan 100 µm met ernstige verbrossing.
Temperatuur en tijd van blootstellingseffecten op zuurstoftolerantie
De veilige partiële zuurstofdruk neemt sterk af met de temperatuur. 8-15 µm alpha-gevalsdiepte na 10.000 uur bij 300 graden en 0,001 atm O2. Bij 350 graden en dezelfde O2-druk van 0,001 atm neemt de diepte toe tot 20–35 µm, wat boven de toegestane limiet ligt. Bij 300 C en 0,002 atm O 2 is de diepte 15-25 um, wederom voorbij de limiet. De zuurstoftoleranties zijn hoger bij lagere temperaturen, met een diepte van 10.000 uur van slechts 5–10 µm bij 250 graden en 0,005 atm O2. Hogere zuurstofniveaus kunnen aanvaardbaar zijn voor blootstellingstijden van minder dan 10.000 uur. De maximale veilige partiële zuurstofdruk tijdens een blootstelling van 1000 uur bij 300 graden stijgt tot 0,005 atm (0,5% zuurstof) met een alfakastdiepte van 5–10 μm.
Stikstofdekens Handleiding voor gedeeltelijke drukcontrole van zuurstof
De volgende tabel geeft aanbevelingen voor de maximaal toegestane partiële zuurstofdruk in stikstofdekens boven titanium dompelaars in eutectische zoutbaden bij 300 graden als functie van de vereiste levensduur en de toegestane alpha--kastdiepte.
Gewenste levensduur (uren) Maximaal toegestane alfa- Diepte van de behuizing (μm) Maximale veilige partiële zuurstofdruk (atm) Equivalente zuurstofconcentratie (%) Aanbevolen stikstofzuiverheid 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%
Techniek die verder gaat dan de partiële druk van zuurstofcontrole
De kwaliteit van titanium beïnvloedt de kinetiek van de productie van alfa--gevallen. Graad 7 gedraagt zich op dezelfde manier als graad 2 in het alfa--geval voor dezelfde partiële zuurstofdruk, omdat palladium de zuurstofdiffusie niet significant verandert. Wanddikte biedt een materiaaltoeslag. Een wand van 2,0 mm met een alfa-kastdiepte van 20 µm heeft bijvoorbeeld een ductiele kern van 1,98 mm, wat acceptabel is, maar een wand van 1,0 mm met dezelfde alfa-kast heeft slechts 0,98 mm ductiele kern, wat marginaal kan zijn. Er moet een continue monitoring van de stikstofdeken worden gehandhaafd met behulp van een zuurstofanalysator die is ingesteld op alarm bij 0,05% zuurstof (0,0005 atm) om een veiligheidsmarge onder de 0,1%-limiet te bieden. De zoutbadchemie kan ook de groei van alfa-gevallen beïnvloeden; chloride-onzuiverheden in het zout verhogen de snelheid van zuurstoftransport.
Geïnformeerde specificatie.
Voor een titanium dompelverwarmer bij 300 °C in een eutectisch zoutbad met stikstofdeken specificeert u een maximale partiële zuurstofdruk van 0,001 atm (0,1 procent zuurstof) voor een levensduur van 10.000 uur. De zuurstofmonitoring in de stikstofdeken moet continu plaatsvinden met een alarm bij 0,05% zuurstof en een vergrendeling om de verwarming uit te schakelen als de zuurstofwaarde groter is dan 0,2%. Geef stikstof op met een minimale zuiverheid van 99,9% en een dauwpunt lager dan -60 graden om droogte te garanderen. Specificeer 99,95% stikstof (0,05%O₂) voor een langere levensduur van meer dan 20.000 uur of installeer een zuurstofgettersysteem. Tijdens de inbedrijfstelling is het belangrijk om het zuurstofniveau op het verwarmingsoppervlak te controleren, en niet alleen bij de gastoevoerinlaat, omdat lucht via afdichtingen kan binnendringen. Om versnelde groei van het alfa-omhulsel en verbrossing van titaniumverwarmers bij zoutbadgebruik bij hoge temperaturen te voorkomen, regelt de ingenieur de partiële zuurstofdruk tot minder dan 0,001 atm.
