اسید اگزالیک (H2C2O4) در غلظت 10 درصد و دمای بالا (60 تا 80 درجه) معمولاً در تمیز کردن فلزات، زدودن زنگ‌زدگی و برخی فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شود. تیتانیوم مقاومت حاشیه ای در اسید اگزالیک نشان می دهد. فیلم غیرفعال فقط در شرایط کنترل شده با دقت پایدار است. هنگامی که غلاف تیتانیوم تحت گرمایش و خنک‌سازی چرخه‌ای قرار می‌گیرد، تنش‌های حرارتی-تا دمای کارکرد و پایین آمدن به محیط{6}}با حمله شیمیایی ترکیب می‌شوند و حالت خرابی مشخصی ایجاد می‌کنند: ترک‌خوردگی چرخه حرارتی. نرخ رمپینگ (درجه در دقیقه تغییر دما) مستقیماً میزان تنش حرارتی و آسیب تجمعی در هر چرخه را تعیین می کند. نرخ های شیب دار سریع تر، شیب حرارتی آنی بالاتری را در سراسر دیواره لوله ایجاد می کند، تنش را افزایش می دهد و تعداد چرخه های قبل از شروع ترک را کاهش می دهد.

مکانیسم ترک خوردگی چرخه حرارتی در اسید اگزالیک

در طول گرمایش، دیواره داخلی لوله تیتانیوم به دلیل گرادیان دما قبل از دیواره بیرونی منبسط می شود. این انبساط دیفرانسیل باعث ایجاد تنش کششی در سطح بیرونی می شود. در 10٪ اسید اگزالیک در 70 درجه، فیلم غیرفعال در حال حاضر تحت حمله شیمیایی است. تنش کششی عیوب میکروسکوپی را در فیلم باز می کند و به اسید اجازه می دهد تا به تیتانیوم خالی برسد. انحلال موضعی در این نقاط تنش رخ می دهد. پس از خنک شدن، سطح بیرونی با سرعت بیشتری منقبض می شود و باعث ایجاد تنش کششی در سطح داخلی می شود. چرخه استرس به سمت عقب و-به تدریج سایت‌های حمله را در{10}}ترک‌های کوچک عمیق می‌کند. هنگامی که یک ترک به عمق بحرانی می رسد (معمولاً 10-20٪ ضخامت دیوار)، به سرعت در دیوار باقی مانده منتشر می شود. نرخ شیب دار میزان تنش حرارتی را کنترل می کند. رمپ سریعتر شیب دما را افزایش می دهد و شروع ترک را تسریع می کند.

رابطه کمی بین میزان افزایش سرعت و چرخه های شکست

آزمایش چرخه ای کنترل شده در اسید اگزالیک 10 درصد در 70 درجه (سیکل: 20 درجه تا 70 درجه و برگشت) چرخه های زیر را برای شکست برای تیتانیوم درجه 2 با ضخامت دیواره 1.2 میلی متر ایجاد کرده است:

سرعت رمپ 0.5 درجه در دقیقه (بسیار آهسته، 100 دقیقه برای گرم کردن، 100 برای خنک کردن): تنش حرارتی 15-20 مگاپاسکال. چرخه های شکست 2500-3500. شروع ترک پس از 2000 چرخه رخ می دهد. ترک ها به صورت بین دانه ای منتشر می شوند.

سرعت رمپ 2 درجه در دقیقه (آهسته، 25 دقیقه گرما، 25 خنک): تنش حرارتی 35-45 مگاپاسکال. چرخه های شکست 800-1200. معمولی برای فرآیندهای دسته ای خوب-کنترل شده.

سرعت رمپ 5 درجه در دقیقه (متوسط، 10 دقیقه گرما، 10 سرد): تنش حرارتی 60-75 مگاپاسکال. چرخه های شکست 300-500. شروع ترک بعد از 150-250 سیکل.

سرعت رمپ 10 درجه در دقیقه (سریع، 5 دقیقه گرما، 5 سرد): تنش حرارتی 100-120 مگاپاسکال. چرخه های شکست 80-150. ترک ها به صورت ترانس دانه ای منتشر می شوند. توصیه نمی شود.

سرعت رمپ 20 درجه در دقیقه (بسیار سریع، 2.5 دقیقه گرما، 2.5 خنک): تنش حرارتی بیش از 150 مگاپاسکال است. چرخه های تا شکست کمتر از 30. شرایط شوک حرارتی باعث ایجاد ترک فوری میکرو-می شود.

تأثیر ضخامت دیوار و نوسان دما

برهمکنش نرخ رمپینگ به ضخامت دیوار و نوسان دما بستگی دارد. یک دیوار ضخیم تر (1.5 میلی متر) تنش حرارتی بالاتری را در همان نرخ شیب دار تجربه می کند زیرا گرادیان دما در بخش ضخیم تر بزرگتر است. برای نرخ شیب دار 5 درجه در دقیقه، چرخه های شکست از 400 (دیوار 1.2 میلی متر) به 250 (دیوار 1.5 میلی متر) به 150 (دیوار 2.0 میلی متر) کاهش می یابد. یک نوسان دما بزرگتر (مثلاً 20 درجه تا 90 درجه در مقابل{15}} درجه تا 70 درجه) همچنین چرخه‌ها را به نسبت مجذور اختلاف دما کاهش می‌دهد.

راهنمای انتخاب نرخ Ramping برای خدمات اسید اگزالیک

جدول زیر چارچوب تصمیم گیری را برای انتخاب یا کنترل نرخ های شیب دار حرارتی بر اساس عمر سیکل مورد نظر و هندسه بخاری ارائه می دهد:

مهندسی فراتر از کنترل نرخ شیب دار

درجه آلیاژ تیتانیوم به طور قابل توجهی مقاومت در برابر ترک خوردگی چرخه حرارتی را تغییر می دهد. درجه 7 (پالادیوم{2}}تثبیت شده) پایداری فیلم غیرفعال بهتری را در طول چرخه حرارتی حفظ می‌کند و چرخه‌های شکست را 50 تا 100 درصد با همان نرخ شیب افزایش می‌دهد. درجه 12 (مولیبدن{7}}نیکل) بهبود متوسطی بین 30 تا 50 درصد ارائه می‌کند. غلظت اسید اگزالیک نیز مهم است. در اسید اگزالیک 5٪، چرخه های شکست با ضریب 2-3 در مقایسه با 10٪ افزایش می یابد. در 15٪ اسید اگزالیک، چرخه های شکست 60-70٪ کاهش می یابد. روش گرمایش بر افزایش سرعت تأثیر می‌گذارد: بخاری‌های برقی می‌توانند سریع‌تر از سیستم‌های بخار{20} گرم شوند. اگر به دلایل فرآیند نیاز به رمپ سریع است، چگالی وات کمتری (10 وات بر سانتی‌متر مربع به جای 20 وات بر سانتی‌متر مربع) تعیین کنید تا گرادیان دما در سراسر دیوار در هر نرخ شیب‌پیچی معین کاهش یابد.

ساخت مشخصات آگاهانه

هنگام مشخص کردن یک بخاری غلاف تیتانیوم برای سرویس چرخه ای در اسید اگزالیک 10٪، حداکثر نرخ رمپینگ مورد نیاز را در اسناد کنترل فرآیند درج کنید. برای عملیات دسته‌ای معمولی که انتظار دارند 1000 چرخه در طول عمر بخاری وجود داشته باشد، حداکثر نرخ رمپ را 2 درجه در دقیقه تعیین کنید. برای جلوگیری از گرمایش یا سرمایش سریع القا شده توسط اپراتور، یک کنترل‌کننده دما قابل برنامه‌ریزی با-محدودیت نرخ شیب دار نصب کنید. برای رمپ خنک کننده، همرفت طبیعی معمولاً کندتر از خنک کننده اجباری است. از خاموش کردن بخاری با آب سرد یا اسید سرد خودداری کنید، زیرا این کار باعث افزایش سرعت خنک کننده بیش از 20 درجه در دقیقه می شود. در حین کار، مقاومت الکتریکی بخاری را کنترل کنید. افزایش 5 تا 10 درصدی نشان‌دهنده تشکیل ریز{13}}ترک است که نیاز به بازرسی دارد. اگر ترک‌ها قبل از نفوذ{15}در دیوار شناسایی شوند، می‌توان بخاری را بدون آلودگی فرآیند از کار خارج کرد. مهندس با کنترل نرخ های شیب دار حرارتی به عنوان یک پارامتر عملیاتی حیاتی، عمر چرخه ای هیترهای تیتانیوم را در محیط های اسید اگزالیک با خورندگی حاشیه ای افزایش می دهد.