Aqua regia-mešanica koncentrirane dušikove in klorovodikove kisline-je ena redkih-tekočin sobne temperature, ki hitro napada titan. Kombinacija oksidirajočega nitrata in kompleksiranja kloridnih ionov uniči pasivni film v nekaj minutah. Vendar nekateri industrijski procesi uporabljajo modelne mešanice z nižjimi koncentracijami kisline, vendar še vedno ohranjajo močno oksidativne pogoje. Za te aplikacije lahko titanove cevi s prevlekami iz plemenitih kovin-zlasti elektrodeponiranimi plastmi rutenija-iridija (Ru-Ir)-zagotovijo omejeno življenjsko dobo. Debelina prevleke neposredno določa, kako dolgo titanov substrat ostane zaščiten. Ru-Ir prevleke delujejo kot katalitske površine, ki spodbujajo redukcijo oksidacijskih vrst in ohranjajo spodnji titan v pasivnem stanju. Ko je prevleka pretanka, lokalizirane napake izpostavijo titan neposrednemu kislinskemu napadu. Ko je prevleka optimalno debela, zagotavlja pregrado in katalitično zaščito. Razumevanje razmerja med debelino prevleke in časom okvare omogoča inženirjem, da izberejo minimalno vzdržljivo prevleko za zahtevane servisne intervale.

Mehanizem zaščite Ru-Ir prevleke v mešanicah oksidirajočih kislin

Rutenij in iridij sta plemeniti kovini z velikimi prenapetostmi za razvijanje vodika in odlično katalitično aktivnostjo za redukcijo kisika in nitratov. V simulantu kraljeve vodke (npr. 10 % HNO₃ + 5 % HCl pri 50 stopinjah) postane prevleka Ru-Ir primarno mesto za katodne reakcije. Prevleka ohranja dovolj pozitiven elektrokemični potencial, da ohrani osnovni titan pasiven, tudi če obstajajo majhne napake. Poleg tega rutenij tvori stabilen oksid (RuO₂), ki je prevoden in katalitično aktiven, medtem ko iridij izboljša trdoto in oprijem prevleke. Prevleka ščiti titan prek treh mehanizmov: fizična pregrada, ki ločuje titan od kisline, galvanska zaščita, kjer plemenita prevleka deluje kot katoda, in katalitsko razgradnjo oksidacijskih spojin na površini prevleke.

Kvantitativno razmerje med debelino prevleke in časom okvare

Nadzorovano potopno testiranje v simulantu aqua regia (8 % HNO₃ + 4 % HCl, 50 stopinj) je pokazalo naslednje čase odpovedi za titanove cevi stopnje 2 s prevlekami Ru-Ir (70 % Ru, 30 % Ir glede na maso):

Titan brez prevleke (osnovna linija): Okvara v 2–4 urah. Hitra enotna korozija in luknjičasta korozija. Titan se raztopi s hitrostjo 3–5 mm na uro.

Ru-Ir debelina prevleke 0,2 µm: Čas okvare 50–100 ur. Premaz vsebuje luknje in mikroskopske napake. Kislina prodre skozi napake in podre premaz. Titan se raztopi pod plemenito prevleko, kar povzroči mehurje in lomljenje.

Ru-Ir debelina prevleke 0,5 µm: Čas okvare 500–800 ur. Premaz je kontinuiran, vendar tanek. Lokaliziran napad se začne na mejah zrn prevleke po 300–400 urah. Do okvare pride zaradi progresivnega luknjanja skozi titanovo steno.

Ru-Ir debelina prevleke 1,0 µm: Čas okvare 2.500–3.500 ur (3–5 mesecev). Premaz ima dober oprijem in katalitično aktivnost. Enakomerna poraba rutenija se pojavi pri 0,2–0,3 µm na mesec. Napaka pri stanjšanju premaza<0.3 µm locally.

Ru-Ir debelina prevleke 2,0 µm: Čas okvare 8.000–12.000 ur (11–16 mesecev). Premaz zagotavlja robustno zaščito. Stopnja porabe rutenija se zmanjša na 0,1–0,15 µm na mesec kot stabilne oblike oksida. Sprejemljivo za 1-letne servisne intervale.

Ru-Ir debelina prevleke 5,0 µm: Čas okvare, ki presega 25.000 ur (skoraj 3 leta). Premaz postane omejevalni dejavnik. Toplotno kroženje lahko povzroči lomljenje zaradi diferencialne ekspanzije, preden pride do kemične okvare.

Priročnik za izbiro debeline premaza za storitve z oksidacijsko kislino

Naslednja tabela ponuja okvir odločitve za izbiro debeline prevleke Ru-Ir na podlagi sestave kislinskega simulanta, temperature in zahtevane življenjske dobe:

Inženiring, ki presega samo debelino prevleke

Kakovost premaza je enako pomembna kot debelina. Dvo-slojni premazi (notranji rutenij, zunanji iridij) so boljši od eno-mešanih premazov za 30–50 % zaradi večje kemične inertnosti iridija. Elektrodeponirani premazi imajo manjšo poroznost kot napršeni ali evaporirani premazi enake debeline. Toplotna obdelava po-nanašanju (400 stopinj za 1 uro v argonu) razprši prevleko v površino titana in ustvari stopenjsko ploskev, ki izboljša oprijem za faktor 5–10. Osnovna priprava površine titana je kritična: elektropoliranje na Ra<0.2 µm before coating reduces defect density by 80% compared to as-drawn surfaces. The tube wall thickness beneath the coating provides a safety factor once coating failure occurs. A 2.0 mm titanium wall with a failed coating may still survive 100–200 hours of direct acid attack, while a 0.8 mm wall fails within 24 hours.

Izdelava informirane specifikacije

Pri določanju titanovega grelnika s prevleko iz Ru-Ir za močno oksidirajoče kislinske mešanice določite zahtevano življenjsko dobo v urah, ne v mesecih, ker se čas okvare linearno spreminja z debelino prevleke. Od dobavitelja zahtevajte meritev debeline prevleke z uporabo rentgenske fluorescence (XRF) na petih točkah na cevi, z najmanjšo sprejemljivo debelino 1,5 µm in največjo variacijo ±20 %. Določite dvoslojni-nanos: 1,0 µm rutenij, ki mu sledi 1,0 µm iridij, za skupno 2,0 µm, namesto 2,0 µm mešanega premaza. Zahtevajte toplotno obdelavo po{12}}nanašanju in testiranje oprijema (test s trakom po ASTM D3359) s klasifikacijo 4B ali boljšo. Za kritične aplikacije, kjer bi okvara grelnika povzročila zaustavitev proizvodnje, navedite 5,0 µm premaz in namestite rezervni grelec. Med delovanjem spremljajte elektrokemični potencial prevlečene cevi v primerjavi s platinasto referenčno elektrodo; padec potenciala za več kot 100 mV pod začetno vrednostjo kaže na degradacijo premaza, ki zahteva pregled. Z izbiro ustrezne debeline ruten-iridijeve prevleke na podlagi kvantitativnih podatkov o času odpovedi inženir omogoča omejeno, a predvidljivo delovanje titanovih grelnikov v sicer nezdružljivih mešanicah oksidativnih kislin.