Kakšen je največji varni parcialni tlak kisika (atm) v dušikovi plasti nad potopnim grelnikom iz titana, ki deluje pri 300 stopinjah v evtektični solni kopeli, da se prepreči pospešena rast ohišja alfa-?

Potopni grelniki iz titana so zaščiteni pred oksidacijo z dušikovo oblogo v evtektični solni kopeli pri 300 stopinjah. Če pa je v dušikovi ovojnici na voljo kisik, lahko kisik prodre na površino titana in tvori s kisikom obogateno plast ohišja alfa-. Ta krhka plast zmanjšuje vzdržljivost in duktilnost. Hitrost rasti alfa-primera je parabolična, globina je sorazmerna s kvadratnim korenom časa, pomnoženim z delnim tlakom kisika. To je najvišji delni tlak kisika, ki ga je mogoče varno uporabiti, da se prepreči pospešena rast ohišja alfa-(tj. manj kot 10 m ohišja alfa-po 10.000 urah delovanja). Nad to stopnjo se stopnja rasti ohišja alfa-hitro poveča, kar povzroči krhkost in zgodnjo odpoved.

Mehanizem oblikovanja alfa-ohišja s kisikom pri 300 stopinjah

Pri 300 stopinjah kisik difundira intersticijsko v titanovo mrežo in stabilizira alfa fazo. Alfa-plast ohišja je trša, običajno 300–500 HV v primerjavi s 180–220 HV za osnovno kovino in v bistvu ni-duktilna. Rast primera alfa-je podana z enačbo d^2=k_p * t, kjer je d globina primera alfa-, k_p konstanta parabolične hitrosti in t trajanje. Konstanta hitrosti kp je sorazmerna s parcialnim tlakom kisika na potenco 0,5. Pri parcialnih tlakih kisika pod kritično vrednostjo je stopnja rasti ohišja alfa-zanemarljiva za praktično življenjsko dobo. Nad to ravnjo je stopnja rasti visoka in lahko vodi do krhkosti tankostenske grelne cevi v mesecih.

Kvantitativna rast primera alfa-v primerjavi s parcialnim tlakom kisika pri 300 stopinjah

Kontrolirani testi s kombinacijami dušika-kisika pri 300 stopinjah za 10.000 ur so ugotovili globino izrastkov v ohišju alfa za Ti{-razred 2. Pri parcialnem tlaku kisika 0,0001 atm (0,01 % kisika) je ohišje alfa-globoko le 2–5 µm in zato nepomembno in ne vpliva na mehanske lastnosti. Globina je 5–10 µm pri 0,0005 atm (0,05 % kisika), kar je sprejemljivo za večino aplikacij z varnostno mejo. Pri kritičnem pragu 0,001 atm (0,1 % kisika) je globina ohišja alfa-8-15 {mikro}m po 10.000 urah, kar je največja dovoljena meja. Pri 0,002 atm (0,2 % kisika) se globina poveča na 15–25 µm in opazimo merljivo izgubo duktilnosti. Pri 0,005 atm (0,5 % kisika) je globina 25–40 µm in opažena je precejšnja krhkost. 35–60 µm globina ohišja alfa pri 0,01 atm (1 % kisika) s pokanjem pri termičnem kroženju. Pri 0,1 atm (10 % kisika, tipično za zrak) je globina več kot 100 µm po 10.000 urah z močno krhkostjo.

Učinki temperature in časa izpostavljenosti na toleranco za kisik

Varni parcialni tlak kisika strmo pada s temperaturo. 8-15 µm alfa-globine ohišja po 10.000 urah pri 300 stopinjah in 0,001 atm O2. Pri 350 stopinjah in enakem tlaku O2 0,001 atm se globina poveča na 20–35 µm, kar je nad dovoljeno mejo. Pri 300 C in 0,002 atm O 2 je globina 15-25 um, spet nad mejo. Tolerance kisika so višje pri nižjih temperaturah, pri 10.000 h globine le 5–10 µm pri 250 stopinjah in 0,005 atm O2. Višje ravni kisika so lahko sprejemljive za čas izpostavljenosti, krajši od 10.000 ur. Največji varni parcialni tlak kisika med 1000-urno izpostavljenostjo pri 300 stopinjah se povzpne na 0,005 atm (0,5 % kisika) z globino primera alfa 5–10 μm.

Vodnik za nadzor delnega tlaka kisika z dušikovimi odejami

Naslednja tabela predstavlja priporočila za največje dovoljene parcialne tlake kisika v dušikovih oblogah nad potopnimi grelniki iz titana v kopeli z evtektično soljo pri 300 stopinjah kot funkcijo zahtevane življenjske dobe in dovoljene globine alfa-ohišja.

Želena življenjska doba (ure) Največja dovoljena globina ohišja alfa- (µm) Največji varni parcialni tlak kisika (atm) Ekvivalentna koncentracija kisika (%) Priporočena čistost dušika 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%
Inženiring onkraj parcialnega tlaka za nadzor kisika

Stopnja titana vpliva na kinetiko proizvodnje alfa-ohišja. Stopnja 7 se obnaša podobno kot stopnja 2 v primeru alfa-za enak delni tlak kisika, ker paladij bistveno ne spremeni difuzije kisika. Debelina stene nudi dodatek za material. Na primer, stena debeline 2,0 mm z globino alfa-ohišja 20 µm ima 1,98 mm duktilnega jedra, kar je sprejemljivo, vendar ima 1,0 mm stena z enakim alfa-ohišjem samo 0,98 mm duktilnega jedra, kar je lahko malo. Treba je vzdrževati neprekinjeno spremljanje dušikove plasti z analizatorjem kisika, nastavljenim na alarm pri 0,05 % kisika (0,0005 atm), da se zagotovi varnostna meja pod mejo 0,1 %. Kemija solne kopeli lahko vpliva tudi na rast ohišja alfa-; kloridne nečistoče v soli povečajo hitrost transporta kisika.

Informirana specifikacija.

Za potopni grelnik iz titana pri 300 stopinjah C v evtektični solni kopeli z dušikovo prevleko določite največji parcialni tlak kisika 0,001 atm (0,1 odstotka kisika) za 10.000 ur življenjske dobe. Spremljanje kisika v dušikovi plasti mora biti neprekinjeno z alarmom pri 0,05 % kisika in zaporo za izklop grelnika, če je kisik večji od 0,2 %. Navedite dušik minimalne čistosti 99,9 %, rosišče pod -60 stopinjami, da zagotovite suhost. Določite 99,95 % dušika (0,05 % O₂) za daljšo življenjsko dobo nad 20.000 ur ali namestite sistem za pridobivanje kisika. Med zagonom je pomembno preveriti raven kisika na površini grelnika, ne samo na vstopu v plin, saj lahko zrak vstopi skozi tesnila. Da bi preprečili pospešeno rast ohišja alfa in krhkost titanovih grelnikov pri visokotemperaturni solni kopeli, inženir nadzoruje parcialni tlak kisika na manj kot 0,001 atm.