Qual é a pressão parcial máxima segura de oxigênio (atm) em uma manta de nitrogênio acima de um aquecedor de imersão de titânio operando a 300 graus em um banho de sal eutético para evitar o crescimento acelerado de casos alfa-?

Aquecedores de imersão de titânio são protegidos da oxidação por uma manta de nitrogênio em banho de sal eutético a 300 graus. No entanto, se o oxigênio estiver disponível na manta de nitrogênio, o oxigênio pode permear a superfície do titânio e formar uma camada alfa-de case enriquecida com oxigênio. Esta camada frágil diminui a vida em fadiga e a ductilidade. A taxa de crescimento do caso alfa-é parabólica, sendo a profundidade proporcional à raiz quadrada do tempo vezes a pressão parcial do oxigênio. Esta é a pressão parcial de oxigênio mais alta que pode ser usada com segurança para evitar o crescimento acelerado de-casos alfa (ou seja, menos de 10 m de casos-alfa após 10.000 horas de operação). Acima deste nível, a taxa de crescimento do caso alfa-aumenta rapidamente, causando fragilização e falha precoce.

Mecanismo de formação de-casos alfa pelo oxigênio a 300 graus

A 300 graus, o oxigênio se difunde intersticialmente na rede de titânio, estabilizando a fase alfa. A camada de revestimento alfa-é mais dura, normalmente 300–500 HV em comparação com 180–220 HV para o metal base e é essencialmente não-dúctil. O crescimento do caso alfa-é dado pela equação d^2=k_p * t, onde d é a profundidade do caso alfa-, k_p é a constante de taxa parabólica e t é a duração. A constante de taxa kp é proporcional à pressão parcial de oxigênio elevada à potência de 0,5. Em pressões parciais de oxigênio abaixo de um valor crítico, a taxa de crescimento do caso alfa-é insignificante para a vida útil prática do serviço. Acima deste nível, a taxa de crescimento é elevada e pode levar à fragilização do tubo de aquecimento de parede fina em meses.

Alfa quantitativo-Crescimento de caso versus pressão parcial de oxigênio a 300 graus

Testes controlados com combinações de nitrogênio-oxigênio a 300 graus por 10.000 horas estabeleceram a profundidade de crescimento do caso alfa-para Ti-grau 2. Em uma pressão parcial de oxigênio de 0,0001 atm (0,01% de oxigênio), o caso alfa-tem apenas 2–5 µm de profundidade e, portanto, é insignificante e não influencia as qualidades mecânicas. A profundidade é de 5–10 µm a 0,0005 atm (0,05% de oxigênio), o que é aceitável para a maioria das aplicações com margem de segurança. No limite crítico de 0,001 atm (0,1% de oxigênio), a profundidade do-caso alfa é de 8-15 {micro}m após 10.000 horas, que é o limite máximo permitido. A 0,002 atm (0,2% de oxigênio) a profundidade aumenta para 15–25 µm e é observada uma perda mensurável de ductilidade. A 0,005 atm (0,5% de oxigênio) a profundidade é de 25-40 µm e uma fragilização considerável é observada . 35-60 µm de profundidade de caso alfa a 0,01 atm (1% de oxigênio) com rachaduras no ciclo térmico. A 0,1 atm (10% de oxigênio, típico do ar), a profundidade é superior a 100 µm após 10.000 horas com fragilização severa.

Efeitos da temperatura e do tempo de exposição na tolerância ao oxigênio

A pressão parcial segura de oxigênio diminui acentuadamente com a temperatura. 8-15 µm alfa-profundidade da caixa após 10.000 horas a 300 graus e 0,001 atm O2. A 350 graus e a mesma pressão de O2 de 0,001 atm, a profundidade aumenta para 20–35 µm, o que está acima do limite permitido. A 300 C e 0,002 atm O 2 a profundidade é de 15-25 um, novamente além do limite. As tolerâncias ao oxigênio são maiores em temperaturas mais baixas, com uma profundidade de 10.000 horas de apenas 5–10 µm a 250 graus e 0,005 atm de O2. Níveis mais elevados de oxigênio podem ser aceitáveis ​​para tempos de exposição inferiores a 10.000 horas. A pressão parcial segura máxima de oxigênio durante uma exposição de 1.000 horas a 300 graus sobe para 0,005 atm (0,5% de oxigênio) com uma profundidade de caso alfa de 5–10 μm.

Guia de controle de pressão parcial de oxigênio de mantas de nitrogênio

A tabela a seguir apresenta recomendações para as pressões parciais máximas permitidas de oxigênio em mantas de nitrogênio sobre aquecedores de imersão de titânio em banhos de sal eutético a 300 graus em função da vida útil necessária e da profundidade alfa{1}}do caso permitida.

Vida útil desejada (horas) Alfa máximo permitido-Profundidade da caixa (µm) Pressão parcial máxima segura de oxigênio (atm) Concentração equivalente de oxigênio (%)Pureza de nitrogênio 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%
Engenharia além da pressão parcial do controle de oxigênio

O grau de titânio influencia a cinética de produção de-casos alfa. O grau 7 se comporta de maneira semelhante ao grau 2 no caso alfa-para a mesma pressão parcial de oxigênio porque o paládio não altera significativamente a difusão do oxigênio. A espessura da parede oferece uma margem de material. Por exemplo, uma parede de 2,0 mm com uma profundidade de caixa alfa-de 20 µm tem 1,98 mm de núcleo dúctil, o que é aceitável, mas uma parede de 1,0 mm com a mesma caixa alfa-tem apenas 0,98 mm de núcleo dúctil, que pode ser marginal. Um monitoramento contínuo da manta de nitrogênio deve ser mantido usando um analisador de oxigênio ajustado para alarme de 0,05% de oxigênio (0,0005 atm) para fornecer uma margem de segurança abaixo do limite de 0,1%. A química do banho de sal também pode afetar o crescimento de-casos alfa; impurezas de cloreto no sal aumentam a taxa de transporte de oxigênio.

Especificação informada.

Para um aquecedor de imersão de titânio a 300°C em um banho de sal eutético com manta de nitrogênio, especifique uma pressão parcial máxima de oxigênio de 0,001 atm (0,1% de oxigênio) para uma vida útil de 10.000 horas. O monitoramento de oxigênio na manta de nitrogênio deve ser contínuo com um alarme de 0,05% de oxigênio e um intertravamento para desligar o aquecedor se o oxigênio for superior a 0,2%. Especifique nitrogênio com pureza mínima de 99,9%, ponto de orvalho abaixo de -60 graus para garantir secura. Especifique 99,95% de nitrogênio (0,05%O₂) para uma vida útil mais longa, superior a 20.000 horas, ou instale um sistema de obtenção de oxigênio. Durante o comissionamento é importante verificar o nível de oxigênio na superfície do aquecedor, não apenas na entrada de fornecimento de gás, pois o ar pode entrar através das vedações. Para evitar o crescimento acelerado do caso alfa e a fragilização dos aquecedores de titânio em serviços de banho de sal de alta temperatura, o engenheiro controla a pressão parcial de oxigênio para menos de 0,001 atm.