Aký je maximálny bezpečný parciálny tlak kyslíka (atm) v dusíkovej prikrývke nad titánovým ponorným ohrievačom pracujúcim pri 300 stupňoch v eutektickom soľnom kúpeli, aby sa predišlo zrýchlenému rastu alfa-prípadov?

Titánové ponorné ohrievače sú chránené pred oxidáciou dusíkovou pokrývkou v eutektickom soľnom kúpeli pri 300 stupňoch. Ak je však v dusíkovej vrstve dostupný kyslík, kyslík môže preniknúť na povrch titánu a vytvoriť vrstvu alfa -puzdra obohatenú kyslíkom. Táto krehká vrstva znižuje únavovú životnosť a ťažnosť. Rýchlosť rastu alfa-prípadu je parabolická, pričom hĺbka je úmerná druhej odmocnine času krát parciálny tlak kyslíka. Toto je najvyšší parciálny tlak kyslíka, ktorý možno bezpečne použiť, aby sa predišlo zrýchlenému rastu prípadu alfa-(t. j. menej ako 10 m prípadu alfa-po 10 000 hodinách prevádzky) . Nad touto úrovňou sa rýchlosť rastu alfa-prípadu rýchlo zvyšuje, čo spôsobuje krehnutie a skoré zlyhanie.

Mechanizmus tvorby alfa-prípadu kyslíkom pri 300 stupňoch

Pri 300 stupňoch kyslík intersticiálne difunduje v titánovej mriežke stabilizujúcej alfa fázu. Alfa-vrstva puzdra je tvrdšia, zvyčajne 300 – 500 HV v porovnaní s 180 – 220 HV pre základný kov a v podstate nie je -ťažná. Rast alfa-prípadu je daný rovnicou d^2=k_p * t, kde d je hĺbka alfa-prípadu, k_p je parabolická rýchlostná konštanta a t je trvanie. Rýchlostná konštanta kp je úmerná parciálnemu tlaku kyslíka s mocninou 0,5. Pri parciálnych tlakoch kyslíka pod kritickou hodnotou je rýchlosť rastu alfa{16}}prípadu z hľadiska praktickej životnosti zanedbateľná. Nad touto úrovňou je rýchlosť rastu vysoká a môže viesť k skrehnutiu tenkostennej vykurovacej trubice v priebehu mesiacov.

Kvantitatívny alfa{0}}rast prípadu verzus parciálny tlak kyslíka pri 300 stupňoch

Kontrolované testy s kombináciami dusíka -kyslíka pri 300 stupňoch počas 10 000 hodín stanovili hĺbku rastu alfa-prípadu pre Ti-2. stupeň Hĺbka je 5–10 µm pri 0,0005 atm (0,05 % kyslíka), čo je prijateľné pre väčšinu aplikácií s bezpečnostnou rezervou. Pri kritickom prahu 0,001 atm (0,1 % kyslíka) je hĺbka alfa{20} puzdra 8-15 {mikro}m po 10 000 hodinách, čo je maximálny povolený limit. Pri 0,002 atm (0,2 % kyslíka) sa hĺbka zvýši na 15–25 µm a pozoruje sa merateľná strata ťažnosti. Pri 0,005 atm (0,5 % kyslíka) je hĺbka 25 – 40 µm a pozoruje sa značné skrehnutie . 35 – 60 µm hĺbka alfa puzdra pri 0,01 atm (1 % kyslíka) s praskaním pri tepelnom cyklovaní. Pri 0,1 atm (10 % kyslíka, typické pre vzduch) je hĺbka viac ako 100 µm po 10 000 hodinách so silným skrehnutím.

Vplyv teploty a času expozície na toleranciu kyslíka

Bezpečný parciálny tlak kyslíka prudko klesá s teplotou . 8-15 µm alfa-hĺbky puzdra po 10 000 hodinách pri 300 stupňoch a 0,001 atm O2. Pri 350 stupňoch a rovnakom tlaku O2 0,001 atm sa hĺbka zvyšuje na 20–35 µm, čo je nad povolenou hranicou. Pri 300 °C a 0,002 atm O 2 je hĺbka 15-}25 um, opäť za limitom. Tolerancie kyslíka sú vyššie pri nižších teplotách, s hĺbkou 10 000 hodín iba 5–10 µm pri 250 stupňoch a 0,005 atm O2. Vyššie hladiny kyslíka môžu byť prijateľné pre doby expozície kratšie ako 10 000 hodín. Maximálny bezpečný parciálny tlak kyslíka počas 1000-hodinovej expozície pri 300 stupňoch sa vyšplhá na 0,005 atm (0,5 % kyslíka) s hĺbkou alfa puzdra 5–10 μm.

Dusíkové deky Príručka riadenia parciálneho tlaku kyslíka

Nasledujúca tabuľka uvádza odporúčania pre maximálne prípustné parciálne tlaky kyslíka v dusíkových prikrývkach nad titánovými ponornými ohrievačmi v eutektických soľných kúpeľoch pri 300 stupňoch v závislosti od požadovanej životnosti a povolenej hĺbky alfa-plášťa.

Požadovaná životnosť (hodiny) Maximálna povolená alpha-Hĺbka puzdra (µm) Maximálny bezpečný parciálny tlak kyslíka (atm) Koncentrácia ekvivalentného kyslíka (%) Odporúčaná čistota dusíka 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9%{9}% 20. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Engineering Beyond Parcial Pressure of Oxygen Control

Kvalita titánu ovplyvňuje kinetiku výroby alfa-prípadu. Stupeň 7 sa správa podobným spôsobom ako stupeň 2 v prípade alfa-pre rovnaký parciálny tlak kyslíka, pretože paládium významne nemení difúziu kyslíka. Hrúbka steny ponúka materiálový príspevok. Napríklad stena s hrúbkou 2,0 mm s hĺbkou puzdra alfa- 20 µm má 1,98 mm tvárneho jadra, čo je prijateľné, ale stena s hrúbkou 1,0 mm s rovnakým puzdrom alfa{12}} má iba 0,98 mm tvárneho jadra, ktoré môže byť okrajové. Nepretržité monitorovanie dusíkovej pokrývky by sa malo udržiavať pomocou analyzátora kyslíka nastaveného na alarm pri 0,05 % kyslíka (0,0005 atm), aby sa zabezpečila bezpečnostná rezerva pod limitom 0,1 %. Chémia soľného kúpeľa môže tiež ovplyvniť rast alfa-prípadu; chloridové nečistoty v soli zvyšujú rýchlosť transportu kyslíka.

Informovaná špecifikácia.

Pre titánový ponorný ohrievač pri 300 °C v eutektickom soľnom kúpeli s dusíkovou pokrývkou špecifikujte maximálny parciálny tlak kyslíka 0,001 atm (0,1 percenta kyslíka) pre životnosť 10 000 hodín. Monitorovanie kyslíka v dusíkovej prikrývke by malo byť nepretržité s alarmom pri 0,05 % kyslíka a blokovaním na vypnutie ohrievača, ak je kyslík vyšší ako 0,2 %. Uveďte dusík s minimálnou čistotou 99,9 %, rosný bod pod - 60 stupňov, aby ste zaistili suchosť. Špecifikujte 99,95 % dusíka (0,05 % O₂) pre dlhšiu životnosť viac ako 20 000 hodín alebo nainštalujte systém kyslíkového getra. Počas uvádzania do prevádzky je dôležité kontrolovať hladinu kyslíka na povrchu ohrievača, nielen na vstupe prívodu plynu, pretože vzduch môže vnikať cez tesnenia. Aby sa predišlo zrýchlenému rastu puzdra alfa a krehnutiu titánových ohrievačov vo vysokoteplotnom soľnom kúpeli, technik riadi parciálny tlak kyslíka na menej ako 0,001 atm.