Hva er det maksimale sikre oksygenpartialtrykket (atm) i et nitrogenteppe over en nedsenking av titan som opererer ved 300 grader i et eutektisk saltbad for å unngå akselerert alfa-tilvekst?

Titanium varmeovner er beskyttet mot oksidasjon av et nitrogenteppe i et eutektisk saltbad ved 300 grader. Men hvis oksygen er tilgjengelig i nitrogenet, kan oksygen trenge inn til titanoverflaten og danne et oksygenanriket alfa-hus. Dette sprø laget reduserer utmattelseslevetiden og duktiliteten. Veksthastigheten til alfa-tilfellet er parabolsk, dybden er proporsjonal med kvadratroten av tiden ganger oksygenpartialtrykket. Dette er det høyeste oksygenpartialtrykket som trygt kan brukes for å unngå akselerert alfa-tilfellevekst (dvs. mindre enn 10 m alfa-tilfelle etter 10 000 timers drift). Over dette nivået øker veksthastigheten for alfa-kasus raskt, noe som forårsaker sprøhet og tidlig feil.

Mechanism of Alpha-Case Danning av oksygen ved 300 grader

Ved 300 grader diffunderer oksygen interstitielt i titangitteret og stabiliserer alfafasen. Alfa-huset er hardere, typisk 300–500 HV sammenlignet med 180–220 HV for basismetallet og er i hovedsak ikke-duktil. Alfa-tilfelleveksten er gitt av ligningen d^2=k_p * t, der d er dybden av alfa-tilfellet, k_p er den parabolske hastighetskonstanten og t er varigheten. Hastighetskonstanten kp er proporsjonal med oksygenpartialtrykket i kraften 0,5. Ved partialtrykk for oksygen under en kritisk verdi, er veksthastigheten til alfa-tilfellet ubetydelig for praktiske levetider. Over dette nivået er veksthastigheten høy og kan føre til sprøhet av det tynnveggede varmerøret i løpet av måneder.

Kvantitativ alfa-tilfellevekst versus oksygenpartialtrykk ved 300 grader

Kontrollerte tester med nitrogen-oksygenkombinasjoner ved 300 grader i 10 000 timer har etablert alfa-tilfelle dybde av vekster for Ti-grad 2. Ved et partialtrykk for oksygen på 0,0001 atm (0,01 % oksygen) er alfa--tilfellet og påvirker derfor ikke bare isignifikant og har derfor ikke en signifikant betydning. mekaniske kvaliteter. Dybden er 5–10 µm ved 0,0005 atm (0,05 % oksygen), noe som er akseptabelt for de fleste bruksområder med sikkerhetsmargin. Ved den kritiske terskelen på 0,001 atm (0,1 % oksygen) er alfa-casedybden 8-15 {mikro}m etter 10 000 timer, som er den maksimalt tillatte grensen. Ved 0,002 atm (0,2 % oksygen) økes dybden til 15–25 µm og et målbart tap av duktilitet observeres. Ved 0,005 atm (0,5 % oksygen) er dybden 25-40 µm og det observeres en betydelig sprøhet . 35–60 µm alfa-case dybde ved 0,01 atm (1 % oksygen) med sprekker ved termisk syklus. Ved 0,1 atm (10 % oksygen, typisk for luft) er dybden mer enn 100 µm etter 10 000 timer med alvorlig sprøhet.

Temperatur og eksponeringstid Effekter på oksygentoleranse

Det sikre partialtrykket av oksygen synker bratt med temperatur. 8-15 µm alfa-casedybde etter 10 000 timer ved 300 grader og 0,001 atm O2. Ved 350 grader og det samme O2-trykket på 0,001 atm øker dybden til 20–35 µm, som er over den tillatte grensen. Ved 300 C og 0,002 atm O 2 er dybden 15-25 um, igjen over grensen. Oksygentoleranser er høyere ved lavere temperaturer, med en 10 000 timers dybde på bare 5–10 µm ved 250 grader og 0,005 atm O2. Høyere oksygennivåer kan være akseptable for eksponeringstider mindre enn 10 000 timer. Det maksimale sikre oksygenpartialtrykket under en 1000 timers eksponering ved 300 grader stiger til 0,005 atm (0,5 % oksygen) med en alfa-case-dybde på 5–10 μm.

Nitrogentepper Oksygen Partial Pressure Control Guide

Følgende tabell presenterer anbefalinger for maksimalt tillatt partialtrykk av oksygen i nitrogentepper over titan-dykkvarmere i eutektiske saltbad ved 300 grader som en funksjon av nødvendig levetid og tillatt alfa-dybde.

Ønsket levetid (timer) Maksimalt tillatt alfa-Kassedybde (µm) Maksimalt sikkert oksygenpartialtrykk (atm) Ekvivalent oksygenkonsentrasjon (%)Anbefalt nitrogenrenhet 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 2}9% 909,9%. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Engineering Beyond Partial Pressure of Oksygen Control

Karakteren til titan påvirker kinetikken til produksjon av alfa-hus. Grad 7 oppfører seg på samme måte som grad 2 i alfa-tilfellet for samme oksygenpartialtrykk fordi palladium ikke endrer oksygendiffusjonen vesentlig. Veggtykkelse gir et materialtillegg. For eksempel har en 2,0 mm vegg med en alfa-kassedybde på 20 µm 1,98 mm duktil kjerne som er akseptabel, men en 1,0 mm vegg med samme alfa-hus har bare 0,98 mm duktil kjerne som kan være marginal. En kontinuerlig overvåking av nitrogenteppet bør opprettholdes ved bruk av en oksygenanalysator satt til å alarmere ved 0,05 % oksygen (0,0005 atm) for å gi en sikkerhetsmargin under grensen på 0,1 %. Saltbadkjemien kan også påvirke alfa-tilfelleveksten; kloridurenheter i saltet øker oksygentransporten.

Informert spesifikasjon.

For en ovn i titan ved 300 grader C i et eutektisk saltbad med nitrogenteppe, spesifiser et maksimalt partialtrykk for oksygen på 0,001 atm (0,1 prosent oksygen) for en levetid på 10 000 timer. Oksygenovervåking i nitrogenteppet bør være kontinuerlig med alarm ved 0,05 % oksygen og en forrigling for å slå av varmeren hvis oksygen er større enn 0,2 %. Spesifiser nitrogen med minimum 99,9 % renhet, duggpunkt under -60 grader for å sikre tørrhet. Spesifiser 99,95 % nitrogen (0,05 % O₂) for lengre levetid over 20 000 timer, eller installer et oksygengettersystem. Under igangkjøring er det viktig å kontrollere oksygennivået på varmeovnens overflate, ikke bare ved gasstilførselsinntaket, da luft kan komme inn gjennom tetninger. For å forhindre akselerert vekst av alfa-huset og sprøhet av titanvarmere i høytemperatursaltbad, kontrollerer ingeniøren oksygenpartialtrykket til mindre enn 0,001 atm.