Titāna apvalka sildītājam, kas uzstādīts 8% nātrija borāta tvertnē 95 grādu leņķī, kā borāta koncentrācijas gradients caurules virsmas tuvumā ietekmē pasīvās plēves stabilitāti cikliskā karsēšanā?

Buferviela un korozijas inhibitors ir nātrija borāts (Na₂B₄O₇) 8% koncentrācijā un 95 grādu temperatūrā. Borāta joni (B4O72−) var izveidot uz titāna aizsargkārtu, bet šīs plēves stabilitāte ir atkarīga no borāta koncentrācijas uz metāla virsmas. Cikliskā karsēšana izraisa borāta jonu migrāciju vai nogulsnēšanos, ko virza temperatūras gradients caur robežslāni. Tādējādi tiek izveidots koncentrācijas gradients ar borāta koncentrāciju, kas ir augstāka aukstākā lielapjoma šķīdumā un zemāka uz apsildāmās caurules virsmas. Šis gradients destabilizē pasīvo plēvi un izraisa reģionālo retināšanu. Pasīvā plēve ir stabila, ja borāta koncentrācija uz virsmas ir lielāka par 2%.

Borātu koncentrācijas gradienta attīstības mehānisms

Borāta joni izkliedējas virzienā uz karsto titāna virsmu stabilas -stāvokļa sildīšanas laikā, bet termiskā difūzija (Soret efekts) nospiež tos prom no karstās virsmas. Tīrais rezultāts ir robežslāņa noplicināšanās tā, ka borāta koncentrācija caurules virsmā ir par 10-30% zemāka nekā lielapjoma šķīdumā. Koncentrācijas gradients svārstās cikliskās sildīšanas laikā (ieslēgšanas -izslēgšanas cikli) . Kad sildītājs atdziest, virsma atdziest un borāta joni izkliedējas atpakaļ uz virsmu, izraisot īslaicīgu pasivāciju. Kad sildītājs atkal ieslēdzas, gradients atjaunojas un virsma kļūst noplicināta. Šī atkārtotā noplicināšanās un atjaunošanās radīja pasīvo plēvi noslogojumu, liekot tai plaisāt un plīst.

Kvantitatīvā pasīvās plēves stabilitāte attiecībā uz virsmas borāta koncentrāciju

Kontrolēta testēšana 8% nātrija borātā (masas koncentrācija) 95 grādu temperatūrā cikliskā karsēšanā (1 stunda ieslēgta, 1 stunda izslēgta) ir apstiprinājusi 2. pakāpes titāna pasīvās plēves stabilitāti pie dažādām virsmas borāta koncentrācijām. Pasīvās plēves biezums virsmas koncentrācijai 4-5% (bagātināta) ir 5-8 nm, plēve paliek stabila un pielipusi, un pēc 1000 cikliem neveidojas bedrītes. Pie 3–4 % (gandrīz tilpuma) biezums ir 3–5 nm, pārklājums ir pietiekami stabils un dažkārt pēc 500 cikliem veidojas dubļu veidošanās. Pie 2–3 % (mērena samazināšanās) biezums ir 2–4 nm, plēve saplaisā un sākas pēc 200–400 cikliem. 1-2% (noplicināta), un plēve ir nestabila, un 50–200 ciklu laikā plēve ir 1–3 nm bieza. Zem 1% pasīvā plēve pilnībā sadalās un vienmērīga korozija notiek 0,1-0,3 mm gadā.

Borātu koncentrācijas un cikla biežuma ietekme uz virsmas noplicināšanos

Virsmas noplicināšanas apjoms ir atkarīgs no borāta satura un cikla biežuma. Cikliskā karsēšanā virsmas koncentrācija ir minimāla, 2-3 % pie 4 % beramborāta. Pie 6 % tilpuma virsmas koncentrācija ir 3–4 %, kas ir vidēji stabila. Virsmas koncentrācija ir 4–5% (stabila) pie 8% tilpuma (nominālā). Virsmas koncentrācija ir ļoti stabila 5–6% 10% tilpuma. Pie 6 cikliem stundā (10 min ieslēgts, 10 min izslēgts) virsmas koncentrācija ir par 10–20% zemāka nekā pie 2 cikliem dienā, jo robežslānim nav laika atjaunoties.

Titāna sildītāji - Borāta koncentrācijas un cikla pārvaldības rokasgrāmata

Tālāk esošajā tabulā ir sniegti ieteikumi par borāta koncentrāciju un cikla parametriem, lai saglabātu pasīvās plēves stabilitāti uz 2. pakāpes titāna pie 95 grādiem.

Lielapjoma borāta koncentrācija (%) ieslēgšanas/izslēgšanas cikla biežums % borāta aprēķinātā virsmas pasīvās plēves stabilitāte, ieteicamā darbība
6 <2 cycles/day 3-4 Moderate Acceptable
6 > 6 cikli/stundā 2–3 Robeža Palielināt koncentrāciju
8 <2 cycles/day 4-5 Stable Optimal
8 >6 cikli/stundā 3-4 Mērens Zemāks cikla biežums
10 Jebkurš 5–6 Ļoti stabils Vēlams braukšanai ar velosipēdu
12 Jebkurš 6–7 Ļoti stabils Pār-specifikācija nav nepieciešama
Inženierzinātnes bez koncentrācijas kontroles

Titāna pakāpe ietekmē pasīvās plēves stabilitāti koncentrācijas gradientu apstākļos. 7. pakāpe (stabilizēta ar pallādiju) saglabās stabilu plēvi pie virsmas borāta koncentrācijas līdz 1,5%, lai nodrošinātu lielāku drošības rezervi. Vidējais uzlabojums – 12. pakāpe. Pasīvo plēvi neietekmē sienas biezums. Svarīgs ir apkures ātrums. Lēna palielināšana (1 grāds/min) nodrošina mazāku koncentrācijas gradientu nekā ātra palielināšana (10 grādi/min). Šķīduma maisīšana (maisītājs vai recirkulācijas sūknis) samazina robežslāņa biezumu un samazina koncentrācijas gradientu.

Pārliecināta specifikācija

For a titanium sheath heater in 8 % sodium borate at 95 °C with cyclic heating, the bulk borate concentration should be 8–10 % to have a surface concentration >4 % riteņbraukšanas laikā. Ja cikla biežums ir lielāks par 6 cikliem stundā, palieliniet tilpuma koncentrāciju līdz 10%. Esošajiem sildītājiem ar pasīvās plēves nestabilitāti (piem., neregulārs enerģijas patēriņš vai bedres), palieliniet borāta saturu līdz 10% vai samaziniet cikliskuma biežumu. Kontrolējiet pH un pievienojiet nātrija hidroksīdu, ja pH darbības laikā nokrītas zem 9. Inženieris var pielāgot borāta koncentrācijas gradientu ar pietiekamu tilpuma koncentrāciju un samazināt cikliskuma biežumu, lai nodrošinātu stabilu pasīvo plēvi uz titāna sildītājiem.

info-717-483