حداکثر فشار نسبی ایمن اکسیژن (atm) در یک پتوی نیتروژن در بالای بخاری غوطه‌وری تیتانیوم که در حمام نمک یوتکتیک در دمای 300 درجه کار می‌کند تا از رشد سریع آلفا جلوگیری کند، چقدر است؟

بخاری های غوطه ور تیتانیوم توسط یک پوشش نیتروژن در حمام نمک یوتکتیک در دمای 300 درجه از اکسیداسیون محافظت می شوند. با این حال، اگر اکسیژن در پوشش نیتروژن موجود باشد، ممکن است اکسیژن به سطح تیتانیوم نفوذ کند و یک لایه آلفا{2}} غنی شده با اکسیژن تشکیل دهد. این لایه شکننده عمر خستگی و شکل پذیری را کاهش می دهد. سرعت رشد حالت آلفا{5}}پارابولیک است، عمق متناسب با جذر زمان ضربدر فشار جزئی اکسیژن است. این بالاترین فشار جزئی اکسیژن است که می‌توان با خیال راحت از آن برای جلوگیری از رشد سریع آلفا-مورد استفاده کرد (یعنی کمتر از 10 متر آلفا{11}}پس از 10000 ساعت کارکرد). بالاتر از این سطح، سرعت رشد آلفا{15}}به سرعت افزایش می‌یابد که باعث شکنندگی و شکست اولیه می‌شود.

مکانیسم آلفا-تشکیل کیس توسط اکسیژن در 300 درجه

در 300 درجه اکسیژن به صورت بینابینی در شبکه تیتانیوم پخش می شود و فاز آلفا را تثبیت می کند. لایه آلفا{2}}سخت تر است، معمولاً 300-500 HV در مقایسه با 180-220 HV برای فلز پایه و اساساً غیر انعطاف پذیر است. رشد حالت آلفا با معادله d^{10}} k_p * t به دست می‌آید، که در آن d عمق حالت آلفا{12}}، k_p ثابت نرخ سهموی و t مدت زمان است. ثابت سرعت kp متناسب با فشار جزئی اکسیژن به توان 0.5 است. در فشارهای جزئی اکسیژن زیر یک مقدار بحرانی، نرخ رشد مورد آلفا{16}}برای طول عمر خدمات عملی ناچیز است. بالاتر از این سطح، نرخ رشد بالا است و می تواند منجر به شکنندگی لوله گرمایش جدار نازک در چند ماه شود.

آلفای کمی-رشد مورد در مقابل فشار جزئی اکسیژن در 300 درجه

آزمایش‌های کنترل‌شده با ترکیب‌های نیتروژن-در دمای 300 درجه به مدت 10000 ساعت، عمق آلفا{4}}عمق رشد را برای Ti-درجه 2 مشخص کرده‌اند. در فشار جزئی اکسیژن 0.0001 atm (0.01٪ اکسیژن فقط{9}-5) عمق آلفا است. ناچیز است و بر کیفیت های مکانیکی تأثیر نمی گذارد. عمق 5-10 میکرومتر در 0.0005 اتمسفر (0.05٪ اکسیژن) است که برای اکثر کاربردها با حاشیه ایمنی قابل قبول است. در آستانه بحرانی 0.001 اتمسفر (0.1٪ اکسیژن) عمق آلفا{20}}8{35}}15 {میکرو} متر بعد از 10000 ساعت است که حداکثر حد مجاز است. در 0.002 atm (0.2٪ اکسیژن) عمق به 15-25 میکرومتر افزایش می‌یابد و کاهش قابل اندازه‌گیری شکل‌پذیری مشاهده می‌شود. در 0.005 اتمسفر (0.5٪ اکسیژن) عمق 25-40 میکرومتر است و شکنندگی قابل توجهی مشاهده می شود{33}}-60 میکرومتر عمق آلفا مورد در 0.01 اتمسفر (اکسیژن 1٪) همراه با ترک خوردن در چرخه حرارتی. در 0.1 اتمسفر (10٪ اکسیژن، معمولی هوا) عمق بیش از 100 میکرومتر پس از 10000 ساعت با شکنندگی شدید است.

دما و زمان قرار گرفتن در معرض اثرات بر تحمل اکسیژن

فشار جزئی ایمن اکسیژن با درجه حرارت{0}} میکرومتر آلفا-عمق مورد پس از 10000 ساعت در 300 درجه و 0.001 atm O2 به شدت کاهش می‌یابد. در 350 درجه و همان فشار O2 0.001 atm عمق به 20-35 میکرومتر افزایش می یابد که بالاتر از حد مجاز است. در 300 درجه سانتیگراد و 0.002 اتمسفر O 2 عمق 15{32}}25 میکرومتر است، دوباره فراتر از حد مجاز. تحمل اکسیژن در دماهای پایین تر، با عمق 10000 ساعتی فقط 5-10 میکرومتر در 250 درجه و 0.005 atm O2 بیشتر است. سطوح بالاتر اکسیژن ممکن است برای زمان قرار گرفتن در معرض کمتر از 10000 ساعت قابل قبول باشد. حداکثر فشار جزئی اکسیژن ایمن در طول 1000 ساعت قرار گرفتن در معرض 300 درجه به 0.005 atm (0.5٪ اکسیژن) با عمق آلفا مورد 5-10 میکرومتر می رسد.

راهنمای کنترل فشار جزئی اکسیژن پتوهای نیتروژن

جدول زیر توصیه هایی را برای حداکثر فشارهای جزئی مجاز اکسیژن در پتوهای نیتروژن بر روی بخاری های غوطه ور تیتانیوم در حمام نمک یوتکتیک در 300 درجه به عنوان تابعی از طول عمر مورد نیاز و عمق آلفا{1} مجاز ارائه می دهد.

طول عمر مورد نظر (ساعت) حداکثر آلفای مجاز-عمق مورد (μm) حداکثر فشار جزئی اکسیژن ایمن (atm) غلظت اکسیژن معادل (%) خلوص نیتروژن توصیه شده 5،000 10 0.002 0.2% 99.8% 10،{0}%{9}{0}% 99.95% 50،000 20 0.0002 0.02% 99.98% 100،000 25 0.0001 0.01% 99.99%
مهندسی فراتر از فشار جزئی کنترل اکسیژن

درجه تیتانیوم بر سینتیک تولید آلفا{0}}تأثیر می گذارد. درجه 7 در مورد آلفا{4}}در مورد فشار جزئی اکسیژن یکسان مانند درجه 2 رفتار می کند زیرا پالادیوم به طور قابل توجهی انتشار اکسیژن را تغییر نمی دهد. ضخامت دیوار مقداری مصالح را ارائه می دهد. برای مثال، یک دیوار 2.0 میلی‌متری با عمق آلفا{8}}20 میکرومتر دارای 1.98 میلی‌متر هسته شکل‌پذیر است که قابل قبول است، اما یک دیوار 1.0 میلی‌متری با همان قاب آلفا فقط 0.98 میلی‌متر هسته انعطاف‌پذیر دارد که ممکن است حاشیه‌ای باشد. یک مانیتور پیوسته از پتوی نیتروژن باید با استفاده از یک آنالایزر اکسیژن تنظیم شده برای زنگ هشدار در 0.05٪ اکسیژن (0.0005 atm) حفظ شود تا حاشیه ایمنی کمتر از حد 0.1٪ فراهم شود. شیمی حمام نمک همچنین می‌تواند بر رشد آلفا{19}}تأثیر بگذارد. ناخالصی های کلرید موجود در نمک سرعت انتقال اکسیژن را افزایش می دهد.

مشخصات آگاهانه

برای یک بخاری غوطه‌وری تیتانیوم در دمای 300 درجه سانتی‌گراد در حمام نمک یوتکتیک با پوشش نیتروژن، حداکثر فشار جزئی اکسیژن 0.001 atm (0.1 درصد اکسیژن) را برای عمر 10000 ساعت مشخص کنید. نظارت بر اکسیژن در پتوی نیتروژن باید با زنگ هشدار در 0.05٪ اکسیژن و یک اینترلاک برای قطع بخاری در صورتی که اکسیژن بیشتر از 0.2٪ باشد، مداوم باشد. برای اطمینان از خشکی، نیتروژن با حداقل خلوص 99.9٪، نقطه شبنم زیر -60 درجه مشخص کنید. 99.95٪ نیتروژن (0.05٪ O2) را برای عمر طولانی تر بیش از 20000 ساعت مشخص کنید یا یک سیستم اکسیژن گیرنده نصب کنید. در طول راه اندازی، مهم است که سطح اکسیژن روی سطح بخاری، نه تنها در ورودی گاز، بررسی شود، زیرا هوا می تواند از طریق مهر و موم وارد شود. برای جلوگیری از رشد سریع آلفا مورد و شکنندگی هیترهای تیتانیوم در سرویس حمام نمک با دمای بالا، مهندس فشار جزئی اکسیژن را تا کمتر از 0.001 اتمسفر کنترل می کند.