Nātrija borātu (Na2B₄O₇) 8% koncentrācijā un 95 grādu temperatūrā izmanto kā bufervielu un korozijas inhibitoru. Borātu joni (B₄O₇²⁻) var veidot aizsargplēvi uz titāna, bet šīs plēves stabilitāte ir atkarīga no borāta koncentrācijas uz metāla virsmas. Cikliskā karsēšanas laikā temperatūras gradients pāri robežslānim izraisa borāta jonu migrāciju vai nogulsnēšanos. Attīstās koncentrācijas gradients ar augstāku borāta koncentrāciju vēsākā lielapjoma šķīdumā un zemāku koncentrāciju karstās caurules virsmā. Šis gradients destabilizē pasīvo plēvi, izraisot lokālu retināšanu. Pasīvā plēve paliek stabila, ja borāta koncentrācija uz virsmas pārsniedz 2%.

Borātu koncentrācijas gradienta veidošanās mehānisms

Stabilā -karsēšanas stāvoklī borāta joni izkliedējas karstās titāna virsmas virzienā, bet termiskā difūzija (Soret efekts) tos izstumj no karstās virsmas. Tīrais efekts ir noplicināts robežslānis, un borāta koncentrācija caurules virsmā ir par 10–30% zemāka nekā lielapjoma šķīdumā. Cikliskās sildīšanas laikā (ieslēgts -izslēgts) koncentrācijas gradients svārstās. Kad sildītājs izslēdzas, virsma atdziest, un borāta joni izkliedējas atpakaļ virzienā uz virsmu, izraisot īslaicīgu pasivāciju. Kad sildītājs atkal ieslēdzas, gradients{8}}atjaunojas un virsma kļūst noplicināta. Šī cikliskā noplicināšanās un atjaunošanās noslogo pasīvo plēvi, izraisot plaisāšanu un plaisāšanu.

Kvantitatīvā pasīvās plēves stabilitāte kā virsmas borāta koncentrācijas funkcija

Kontrolēta testēšana 8% nātrija borātā (masas koncentrācija) 95 grādu temperatūrā cikliskā karsēšanā (1 stunda ieslēgta, 1 stunda izslēgta) ir noteikusi pasīvās plēves stabilitāti 2. pakāpes titānam dažādās virsmas borāta koncentrācijās. Pie virsmas koncentrācijas 4–5% (bagātināta) pasīvās plēves biezums ir 5–8 nm, plēve ir stabila un adhēzija, un pēc 1000 cikliem neveidojas bedrītes. Pie 3–4% (gandrīz tilpuma) biezums ir 3–5 nm, plēve ir vidēji stabila, un pēc 500 cikliem neregulāri veidojas kauliņi. Pie 2–3% (mērens samazinājums) biezums ir 2–4 nm, plēve parāda plaisāšanu, un pēc 200–400 cikliem sākas bedru veidošanās. Pie 1–2% (noplicināts) biezums ir 1–3 nm, plēve ir nestabila, un punktveida veidošanās notiek 50–200 ciklos. Zem 1%, pasīvā plēve pilnībā sabojājas, un vienmērīga korozija notiek 0,1–0,3 mm gadā.

Borātu koncentrācijas un cikla biežuma ietekme uz virsmas noplicināšanos

Virsmas noplicināšanas smagums ir atkarīgs no borāta koncentrācijas un cikla biežuma. Pie 4% beztaras borāta virsmas koncentrācija cikliskā karsēšanā ir 2–3%, kas ir nenozīmīga. Pie 6% tilpuma virsmas koncentrācija ir 3–4%, kas ir vidēji stabila. Pie 8% tilpuma (nominālā) virsmas koncentrācija ir 4–5%, kas ir stabila. Pie 10% tilpuma virsmas koncentrācija ir 5–6%, kas ir ļoti stabila. Ja cikla biežums ir 6 cikli stundā (10 minūtes ieslēgts, 10 minūtes izslēgts), virsmas koncentrācija ir par 10–20% zemāka nekā pie 2 cikliem dienā, jo robežslānim nav laika atjaunoties.

Borātu koncentrācijas un cikla pārvaldības rokasgrāmata titāna sildītājiem

Nākamajā tabulā sniegti ieteikumi par borāta koncentrāciju un cikla parametriem, lai saglabātu pasīvās plēves stabilitāti uz 2. pakāpes titāna 95 grādu leņķī.

Inženierzinātnes ārpus koncentrācijas kontroles

Titāna klase ietekmē pasīvās plēves stabilitāti koncentrācijas gradientu apstākļos. 7. pakāpe (pallādija -stabilizēta) saglabā stabilu plēvi pie virsmas borāta koncentrācijas līdz 1,5%, nodrošinot lielāku drošības rezervi. 12. klase piedāvā starpposma uzlabojumus. Sienas biezums neietekmē pasīvo plēvi. Apkures ātrumam ir nozīme; lēna paaugstināšana (1 grāds minūtē) samazina koncentrācijas gradientu salīdzinājumā ar ātru palielināšanu (10 grādi minūtē). Šķīduma maisīšana (maisītājs vai recirkulācijas sūknis) samazina koncentrācijas gradientu, samazinot robežslāņa biezumu.

Apzinātas specifikācijas izveide

Titāna apvalka sildītājam 8% nātrija borātā 95 grādu temperatūrā ar ciklisku karsēšanu uzturiet borāta koncentrāciju 8–10% līmenī, lai nodrošinātu virsmas koncentrāciju virs 4% braukšanas laikā. Ja cikla biežums pārsniedz 6 ciklus stundā, palieliniet tilpuma koncentrāciju līdz 10%. Esošajiem sildītājiem ar pasīvās plēves nestabilitāti (par to liecina neregulārs enerģijas patēriņš vai urbumi), pievienojiet borātu, lai palielinātu koncentrāciju līdz 10% vai samazinātu cikla biežumu. Darbības laikā uzraugiet pH līmeni; ja pH pazeminās zem 9, pievienojiet nātrija hidroksīdu. Kontrolējot borāta koncentrācijas gradientu ar atbilstošu tilpuma koncentrāciju un samazinātu cikliskuma biežumu, inženieris uztur stabilu pasīvo plēvi uz titāna sildītājiem.