Byt-af for Titanium Surface Finish i Ferric Chloride Service
Ferrichlorid (FeCl 3 ) ætseopløsninger er stærkt oxiderende og aggressivt ætsende for de fleste metaller. Typisk ferrichlorid er 42 grader Bé (ca. 40% FeCl3). Titanium blev valgt på grund af det passive TiO₂-lag, som gør det modstandsdygtigt over for FeCl₃. Pitting er imidlertid den lokale nedbrydning af den passive belægning, almindeligvis ved overfladefejl, indeslutninger eller sprækker i mikroskala. Overfladefinish, målt ved den gennemsnitlige ruhed Ra, har en direkte indflydelse på mængden og størrelsen af ​​mulige grubningsinitieringssteder. En glattere overflade (lav Ra) fjerner mikroskopiske sprækker og reducerer antallet af steder for koncentrationen af ​​chloridioner. En meget glat overflade (Ra < 0,2 µm) kræver elektropolering eller mekanisk polering og øger omkostningerne. Den nuværende undersøgelse bestemte korrelationen mellem Ra-værdi og grubedannelsestid i 42 grader Bé FeCl3 ved 50 grader og etablerede overfladefinishen, der gav den maksimale varighed før pitinitiering.

Mekanisk integritetspåvirkning: Pitting-initiering og overfladeruhed
Pitting i ferrichloridopløsning på titanium begynder på steder, hvor den passive film er tyndest, eller hvor sprækker tillader akkumulering af chlorid. I en ru overflade (Ra > 1,0 µm) er dalene som mikrospalter. Disse trug er typisk 5-20 µm brede, og dybden er af samme størrelsesorden som Ra-værdien. I disse dale akkumuleres chloridioner på grund af diffusionsbegrænsninger, og den lokale pH-værdi falder på grund af hydrolyse af metalchlorider, som initierer pitting. På en glat overflade (Ra < 0,4 µm) er dalene lavvandede (<1 µm depth) and wide compared to their depth such that oxygen transport can maintain passivity. Electrochemical experiments in 42° Bé FeCl3 at 50°C showed that the pitting potential (Epit) of the Grade 2 titanium increased as the surface roughness decreased. For as-drawn surface (Ra = 1.5 µm) Epit = +0.65 V vs. Ag/AgCl. E_pit = +0.85 V for a mechanically polished surface (Ra = 0.4 µm). For electropolished surface (Ra = 0.1 µm) E_pit = + 0.95 V. In FeCl₃ the open-circuit potential is about +0.55 V. As-drawn surfaces are quite close to the pitting potential, whereas electropolished surfaces offer a safety margin of 400 mV. The induction time, which is the period from immersion to the first detectable pitting, shows an exponential dependence on the difference between Epit and the open-circuit potential. An increase of E_pit of 100 mV results in an increase of ~10 in induction time.

Termisk ydeevne: Effekt af overfladefinish og varmeoverførsel
Overfladefinish har også en effekt på varmetransporten, men er sekundær til pitting-modstand. Det faktiske overfladeareal af en mere ru overflade er større (2 til 5 gange det projicerede areal for Ra=1.5 µm, generelt), hvilket i teorien forbedrer varmeoverførslen ved at øge kontaktarealet med ferrichloridopløsningen. Faktisk er tykkelsen af ​​det konvektive grænselag (normalt 50-200 µm) betydeligt større end ruhedsegenskaberne, og derfor er varmeoverførselskoefficienten næsten uafhængig af Ra for værdier under 5 µm. Elektropolering (Ra=0.1µm) reducerer det reelle overfladeareal med ~5 % i forhold til en mekanisk poleret overflade, hvilket resulterer i en minimal (<<1%) reduction in heat transmission. This means there is no thermal penalty for specifying a smooth surface finish.

Syntese af afvejningen-: Ra-værdi vs. pitting-induktionstid
Overfladefinish Ra-værdi (µm) Metode E_pit (V vs. Ag/AgCl) Induktionstid til første pit (timer, 42 grader Bé FeCl3, 50 grader ) Relativ omkostningsfaktor
Som-tegnet (møllefinish) 1,2 – 1,8 Ingen +0.65 V 20 – 40 timer 1,0× Syltet (syreafkalket) 0,8 – 1.2 10% HNO₃ + 2% HF-dyp +0.70 V 50 – 100 timer 32 timer Mekanisk poleret (32 timer) 0,4 – 0,6 Bælte- eller hjulpolering +0.80 V 300 – 500 timer 1,5×
Mekanisk polering (korn 600) 0,2 – 0,3 Fin slibende polering+0.88 V 2,0× 1,000 - 2.000 timer
Electro polished (bright finish) 0.08 – 0.15 Electro chemical polishing+0.95 V >5.000 timer. 2.5x
The results indicates that electropolished surfaces (Ra < 0.15 µm) have a pitting induction time of > 5,000 hours (>6 måneders kontinuerlig drift), mens som-tegnede overflader pit inden for 1-2 dage. Forbedringen vokser eksponentielt, når Ra falder.

Engineering After the Finish: Passivation and Post{0}}Polishing Treatment
For at opnå den bedste modstandsdygtighed over for pitting bør en elektropoleret overflade efterfølges af et salpetersyrepassiveringstrin (20 % HNO 3 ved 50 grader i 30 minutter). Denne behandling fører til et homogent, defekt-fri TiO2-lag, som er tykkere og mere stabilt end den naturlige passive film. Passiveret elektropoleret titanium i brug i jern(III)chlorid viser ingen pitting efter 10.000 timers laboratorietest. Hvis elektropolering er for dyrt til applikationen, så vil 600-korn mekanisk polering (Ra ≈ 0,25 µm) og passivering give en induktionstid på 1.000-2.000 timer, hvilket er velegnet til mange batch-ætsningsprocedurer, hvor varmeren fjernes og rengøres mellem batcherne. Tricket er at undgå overfladeforurenende stoffer (jernpartikler, fedt eller indlejrede slibemidler), der kan tjene som grubningsinitieringssteder.

Konklusion: Elektropoleret (Ra mindre end eller lig med 0,15 μm) giver længst induktionstid
The maximum induction time for pitting (> 5,000 hours of continuous service) was obtained for a titanium electric heating element immersed in 42° Bé ferric chloride etching solution at 50°C with an electropolished surface finish of Ra < 0.15 µm. Because of the exponential relationship between surface roughness and pitting potential, the improvement over as drawn surfaces ( Ra = 1.5 µm) is considerable, from 1-2 days to >6 måneder. De mekanisk polerede overflader (Ra=0.2–0,6 µm) fører til mellemliggende induktionstider på 300–2.000 timer, passende til mindre krævende applikationer. Elektropolering har ikke en vigtig termisk straf. Angiv varmelegemer til jernkloridætsning med elektropoleret overfladefinish verificeret Ra Mindre end eller lig med 0,15 μm og passivering i 20 % salpetersyre efter polering. Men de øgede efterbehandlingsomkostninger kompenseres af undgåelse af grubetæringsrelaterede-problemer og den længere levetid. Vælg den passende overfladefinish baseret på forventet kontinuerlig driftstid mellem vedligeholdelsesintervallerne. For enhver påføring over 1.000 timer anbefales elektropolering.