¿Cuál es la presión parcial máxima segura de oxígeno (atm) en una manta de nitrógeno sobre un calentador de inmersión de titanio que funciona a 300 grados en un baño de sal eutéctica para evitar el crecimiento acelerado de alfa-caso?
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Los calentadores de inmersión de titanio están protegidos de la oxidación mediante una capa de nitrógeno en un baño de sal eutéctica a 300 grados. Sin embargo, si hay oxígeno disponible en la capa de nitrógeno, el oxígeno puede penetrar la superficie del titanio y formar una capa de caso alfa-enriquecida con oxígeno. Esta capa frágil disminuye la vida a fatiga y la ductilidad. La tasa de crecimiento del caso alfa-es parabólica, siendo la profundidad proporcional a la raíz cuadrada del tiempo multiplicada por la presión parcial de oxígeno. Esta es la presión parcial de oxígeno más alta que se puede utilizar de forma segura para evitar el crecimiento acelerado de casos alfa- (es decir, menos de 10 m de casos alfa-después de 10 000 horas de funcionamiento). Por encima de este nivel, la tasa de crecimiento de la caja alfa-aumenta rápidamente, provocando fragilidad y fallos prematuros.
Mecanismo de formación de casos alfa-por oxígeno a 300 grados
A 300 grados, el oxígeno se difunde intersticialmente en la red de titanio, estabilizando la fase alfa. La capa de caja alfa-es más dura, normalmente entre 300 y 500 HV en comparación con los 180 y 220 HV del metal base y es esencialmente no-dúctil. El crecimiento del caso alfa-está dado por la ecuación d^2=k_p * t, donde d es la profundidad del caso alfa-, k_p es la constante de velocidad parabólica y t es la duración. La constante de velocidad kp es proporcional a la presión parcial de oxígeno elevada a 0,5. A presiones parciales de oxígeno por debajo de un valor crítico, la tasa de crecimiento del caso alfa-es insignificante para la vida útil práctica. Por encima de este nivel, la tasa de crecimiento es alta y puede provocar la fragilización del tubo calefactor de paredes delgadas en meses.
Crecimiento cuantitativo de casos alfa- versus presión parcial de oxígeno a 300 grados
Las pruebas controladas con combinaciones de nitrógeno-oxígeno a 300 grados durante 10.000 horas han establecido la profundidad de los crecimientos de la caja alfa-para Ti-Grado 2. A una presión parcial de oxígeno de 0,0001 atm (0,01% de oxígeno), la caja alfa-tiene solo 2 a 5 µm de profundidad y, por lo tanto, es insignificante y no influye en las cualidades mecánicas. La profundidad es de 5 a 10 µm a 0,0005 atm (0,05 % de oxígeno), lo cual es aceptable para la mayoría de las aplicaciones con margen de seguridad. En el umbral crítico de 0,001 atm (0,1% de oxígeno), la profundidad de la caja alfa-es de 8-15 {micro}m después de 10.000 horas, que es el límite máximo permitido. A 0,002 atm (0,2% de oxígeno), la profundidad aumenta a 15-25 µm y se observa una pérdida mensurable de ductilidad. A 0,005 atm (0,5 % de oxígeno), la profundidad es de 25 a 40 µm y se observa una fragilización considerable. 35–60 µm de profundidad del caso alfa a 0,01 atm (1 % de oxígeno) con agrietamiento en el ciclo térmico. A 0,1 atm (10% de oxígeno, típico del aire), la profundidad es de más de 100 µm después de 10.000 horas con una fragilización severa.
Efectos de la temperatura y el tiempo de exposición sobre la tolerancia al oxígeno
La presión parcial segura de oxígeno disminuye drásticamente con la temperatura. 8-15 µm alfa-profundidad del caso después de 10.000 horas a 300 grados y 0,001 atm de O2. A 350 grados y la misma presión de O2 de 0,001 atm, la profundidad aumenta a 20-35 µm, lo que está por encima del límite permitido. A 300 C y 0,002 atm de O 2, la profundidad es de 15-25 um, nuevamente más allá del límite. Las tolerancias al oxígeno son mayores a temperaturas más bajas, con una profundidad de 10.000 h de sólo 5 a 10 µm a 250 grados y 0,005 atm de O2. Pueden ser aceptables niveles de oxígeno más altos para tiempos de exposición inferiores a 10.000 horas. La presión parcial de oxígeno máxima segura durante una exposición de 1000 horas a 300 grados sube a 0,005 atm (0,5% de oxígeno) con una profundidad de caso alfa de 5 a 10 μm.
Mantas de nitrógeno Guía de control de presión parcial de oxígeno
La siguiente tabla presenta recomendaciones para las presiones parciales máximas permitidas de oxígeno en mantas de nitrógeno sobre calentadores de inmersión de titanio en baños de sales eutécticas a 300 grados en función de la vida útil requerida y la profundidad alfa-permisible.
Vida útil deseada (horas) Alfa-máxima permitida Profundidad de la caja (μm) Presión parcial máxima segura de oxígeno (atm) Concentración de oxígeno equivalente (%)Pureza de nitrógeno recomendada 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,000 10 0.001 0.1% 99,9% 20,000 15 0.0005 0.05% 99,95% 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Ingeniería más allá de la presión parcial del control de oxígeno
El grado de titanio influye en la cinética de producción de alfa-caja. El grado 7 se comporta de manera similar al grado 2 en el caso alfa-para la misma presión parcial de oxígeno porque el paladio no cambia significativamente la difusión de oxígeno. El espesor de la pared ofrece un margen de material. Por ejemplo, una pared de 2,0 mm con una profundidad de caja alfa-de 20 µm tiene 1,98 mm de núcleo dúctil, lo cual es aceptable, pero una pared de 1,0 mm con la misma caja alfa-tiene sólo 0,98 mm de núcleo dúctil, lo que puede ser marginal. Se debe mantener un control continuo de la capa de nitrógeno utilizando un analizador de oxígeno configurado para emitir una alarma al 0,05 % de oxígeno (0,0005 atm) para proporcionar un margen de seguridad por debajo del límite del 0,1 %. La química del baño de sal también puede afectar el crecimiento de la caso alfa-; Las impurezas de cloruro en la sal aumentan la tasa de transporte de oxígeno.
Especificación informada.
Para un calentador de inmersión de titanio a 300 grados C en un baño de sal eutéctica con manto de nitrógeno, especifique una presión parcial de oxígeno máxima de 0,001 atm (0,1 por ciento de oxígeno) para una vida útil de 10.000 horas. El monitoreo de oxígeno en la capa de nitrógeno debe ser continuo con una alarma al 0,05% de oxígeno y un enclavamiento para apagar el calentador si el oxígeno es superior al 0,2%. Especifique nitrógeno con una pureza mínima del 99,9 % y un punto de rocío inferior a -60 grados para garantizar la sequedad. Especifique 99,95 % de nitrógeno (0,05 % O₂) para una vida útil más larga de más de 20 000 horas o instale un sistema de captación de oxígeno. Durante la puesta en servicio es importante comprobar el nivel de oxígeno en la superficie del calentador, no sólo en la entrada del suministro de gas, ya que puede entrar aire a través de las juntas. Para evitar el crecimiento acelerado de la caja alfa y la fragilización de los calentadores de titanio en el servicio de baño de sal a alta temperatura, el ingeniero controla la presión parcial de oxígeno a menos de 0,001 atm.
