Hvad er det maksimale sikre iltpartialtryk (atm) i et nitrogentæppe over en titanium-dyppevarmer, der fungerer ved 300 grader i et eutektisk saltbad for at undgå accelereret alfa-tilvækst?

Titanium dykvarmere er beskyttet mod oxidation af et nitrogentæppe i et eutektisk saltbad ved 300 grader. Men hvis oxygen er tilgængeligt i nitrogentæppet, kan oxygen trænge ind til titaniumoverfladen og danne et oxygenberiget alfa-caselag. Dette sprøde lag reducerer udmattelseslevetiden og duktiliteten. Væksthastigheden af ​​alfa-tilfældet er parabolsk, dybden er proportional med kvadratroden af ​​tiden gange oxygenpartialtrykket. Dette er det højeste iltpartialtryk, der kan bruges sikkert for at undgå accelereret alfa-vækst (dvs. mindre end 10 m alfa-tilfælde efter 10.000 timers drift). Over dette niveau stiger hastigheden af ​​alfa-tilvækst hurtigt, hvilket forårsager skørhed og tidlig fejl.

Mekanisme for alfa-tilfældedannelse ved hjælp af ilt ved 300 grader

Ved 300 grader diffunderer oxygen interstitielt i titaniumgitteret og stabiliserer alfafasen. Alfa-caselaget er hårdere, typisk 300-500 HV sammenlignet med 180-220 HV for basismetallet og er i det væsentlige ikke-duktil. Alfa-tilfældevæksten er givet af ligningen d^2=k_p * t, hvor d er dybden af ​​alfa-tilfældet, k_p er den parabolske hastighedskonstant og t er varigheden. Hastighedskonstanten kp er proportional med iltpartialtrykket til styrken 0,5. Ved iltpartialtryk under en kritisk værdi er væksthastigheden af ​​alfa-tilfældet ubetydelig for praktiske levetider. Over dette niveau er væksthastigheden høj og kan føre til skørhed af det tyndvæggede varmerør på måneder.

Kvantitativ alfa-tilfældevækst versus iltpartialtryk ved 300 grader

Kontrollerede tests med nitrogen-iltkombinationer ved 300 grader i 10.000 timer har etableret alfa-tilfældedybde af vækster for Ti-grad 2. Ved et iltpartialtryk på 0,0001 atm (0,01 % oxygen) er alfa--tilfældet og påvirker derfor ikke kun isignifikant og har derfor ikke en signifikant indflydelse mekaniske egenskaber. Dybden er 5-10 µm ved 0,0005 atm (0,05 % oxygen), hvilket er acceptabelt til de fleste applikationer med sikkerhedsmargin. Ved den kritiske tærskel på 0,001 atm (0,1 % oxygen) er alfa-casedybden 8-15 {micro}m efter 10.000 timer, hvilket er den maksimalt tilladte grænse. Ved 0,002 atm (0,2 % oxygen) øges dybden til 15-25 µm, og der observeres et målbart tab af duktilitet. Ved 0,005 atm (0,5 % oxygen) er dybden 25-40 µm, og der observeres en betydelig skørhed . 35–60 µm alpha-case-dybde ved 0,01 atm (1 % oxygen) med revner ved termisk cykling. Ved 0,1 atm (10 % oxygen, typisk for luft) er dybden mere end 100 µm efter 10.000 timer med alvorlig skørhed.

Temperatur og eksponeringstidspunkt Effekter på ilttolerance

Det sikre partialtryk af oxygen falder stejlt med temperaturen. 8-15 µm alfa-casedybde efter 10.000 timer ved 300 grader og 0,001 atm O2. Ved 350 grader og det samme O2-tryk på 0,001 atm øges dybden til 20–35 µm, hvilket er over den tilladte grænse. Ved 300 C og 0,002 atm O 2 er dybden 15-25 um, igen ud over grænsen. Ilttolerancer er højere ved lavere temperaturer med en 10.000 timers dybde på kun 5-10 µm ved 250 grader og 0,005 atm O2. Højere iltniveauer kan være acceptable for eksponeringstider på mindre end 10.000 timer. Det maksimale sikre partialtryk for oxygen under en 1000 timers eksponering ved 300 grader stiger til 0,005 atm (0,5 % oxygen) med en alfa-case-dybde på 5-10 μm.

Nitrogen tæpper Oxygen Partial Pressure Control Guide

Følgende tabel præsenterer anbefalinger for det maksimalt tilladte partialtryk af oxygen i nitrogentæpper over titanium-dyppevarmere i eutektiske saltbade ved 300 grader som funktion af den påkrævede levetid og den tilladte alfa-dybde.

Ønsket levetid (timer) Maksimal tilladelig alfa-Kassedybde (µm) Maksimalt sikkert iltpartialtryk (atm) Ækvivalent iltkoncentration (%)Anbefalet nitrogenrenhed 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 2}9,9% 90,9 %. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Engineering Beyond Partial Pressure of Oxygen Control

Karakteren af ​​titanium påvirker kinetikken i alfa-caseproduktion. Grad 7 opfører sig på samme måde som grad 2 i alfa--tilfældet for det samme oxygenpartialtryk, fordi palladium ikke ændrer oxygendiffusion signifikant. Vægtykkelse giver et materialetilskud. For eksempel har en 2,0 mm væg med en alfa-kassedybde på 20 µm 1,98 mm duktil kerne, hvilket er acceptabelt, men en 1,0 mm væg med det samme alfa-hus har kun 0,98 mm duktil kerne, som kan være marginal. En kontinuerlig monitor af nitrogentæppet bør opretholdes ved hjælp af en oxygenanalysator indstillet til at alarmere ved 0,05 % oxygen (0,0005 atm) for at give en sikkerhedsmargin under grænsen på 0,1 %. Saltbadets kemi kan også påvirke alfa-tilfældevækst; chloridurenheder i saltet øger hastigheden af ​​ilttransport.

Oplyst specifikation.

For en dykvarmer af titanium ved 300 grader C i et eutektisk saltbad med nitrogentæppe skal du angive et maksimalt partialtryk for ilt på 0,001 atm (0,1 procent oxygen) for en levetid på 10.000 timer. Iltovervågning i nitrogentæppet bør være kontinuerlig med en alarm ved 0,05 % ilt og en aflåsning for at afbryde varmeren, hvis ilt er større end 0,2 %. Angiv nitrogen med mindst 99,9 % renhed, dugpunkt under -60 grader for at sikre tørhed. Angiv 99,95 % nitrogen (0,05 % O₂) for længere levetid over 20.000 timer, eller installer et oxygen-getter-system. Under idriftsættelse er det vigtigt at kontrollere iltniveauet på varmelegemets overflade, ikke kun ved gastilførslen, da luft kan trænge ind gennem tætninger. For at forhindre accelereret vækst af alfa-tilfældet og skørhed af titaniumvarmere i højtemperatursaltbadsservice, kontrollerer ingeniøren oxygenpartialtrykket til mindre end 0,001 atm.