เศษส่วนของปริมาตรของการรวม TiN หลักในสุญญากาศ-อาร์ค-ท่อปลอกฮีตเตอร์ 316 ลิตรที่ละลายแล้ว (VAR) ควบคุมเวลาเริ่มต้นของหลุมในน้ำบริสุทธิ์ที่มีออกซิเจนสูง-ที่ 90 องศาได้อย่างไร

ความเสถียรของการรวมในสภาวะออกซิไดซ์อย่างแรง

The pitting resistance of 316L stainless steel sheathed electric heating tubes used in oxygenated high-purity water systems like auxiliary cooling systems of nuclear power plants, pharmaceutical water-for-injection (WFI) heaters or semiconductor ultrapure water (UPW) heaters containing dissolved oxygen of 2-8 ppm is controlled by titanium nitride (TiN) inclusions rather than manganese sulphide (MnS) or aluminium oxide (Al2O3). Under very oxidising conditions, the MnS inclusions are quickly oxidised and dissolved at a high oxygen potential and are thus harmless. Al₂O₃ inclusions are inert. TiN inclusions are semi-conducting however and galvanically cathodic to the 316L matrix. The cathodic reaction (reduction of oxygen) is effective on the TiN surface in oxygenated water generating a galvanic couple that causes the anodic dissolution of the surrounding matrix and therefore the pitting initiation. Even in VAR grade 316L (vacuum arc remelted, very low inclusion content), TiN volume fractions as low as 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti) can lead to pits after 5,000-10,000 hours at 90°C. Pit initiation times are >50,000 ชั่วโมง ต่ำกว่า 0.0002% (2 ppm Ti) บทความนี้จะอธิบายปริมาณการเชื่อมโยงระหว่างเศษส่วนปริมาตรที่รวม TiN (ควบคุมโดยความเข้มข้นของไทเทเนียม) และเวลาเริ่มต้นในหลุมในน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงที่ได้รับออกซิเจนที่อุณหภูมิ 90oC

กลไกของ TiN-การเกิดรูพรุนในน้ำที่มีออกซิเจน

TiN is a highly electrically conductive material with high electrochemical potential. In oxygenated water, the cathodic reaction (O2 + 2H2O + 4e- -->4OH-) เกิดขึ้นได้ดีกว่าบนพื้นผิว TiN เนื่องจากมีศักยภาพในการลดออกซิเจนต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการเคลือบแบบพาสซีฟบน 316L การละลายเฉพาะที่ที่อินเทอร์เฟซเมทริกซ์รวม-มีสาเหตุจากกระแสไฟฟ้ากัลวานิกระหว่างแคโทด TiN และเมทริกซ์ 316L (แอโนด) ที่อยู่ใกล้เคียง หากมีหลุมเล็กๆ เกิดขึ้น สารเคมีในท้องถิ่นที่มีฤทธิ์รุนแรงจะทำให้หลุมเติบโต แม้ว่าอนุภาค TiN จะแตกตัวออกไปก็ตาม เวลาเริ่มต้นของหลุมจะแปรผกผันกับขนาดและความหนาแน่นที่รวม TiN สำหรับการรวม TiN ใน Ti-6Al-4V (VAR 316L) การรวมหลักคือ TiN (จาก Ti ตกค้างที่ใช้เป็นตัวกำจัดออกซิไดซ์หรือเศษที่มี Ti) โดยมีขนาดปกติ 1-5 μm

การหาปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างเศษส่วนของปริมาตร TiN และเวลาเริ่มต้นของหลุม

การกำหนดเวลาการเริ่มต้นหลุมต่อไปนี้ถูกกำหนดโดยการทดสอบ-การทดสอบการแช่ในระยะยาวแบบควบคุมของท่อ VAR 316L ที่มีระดับไทเทเนียมตกค้างที่แตกต่างกัน (และด้วยเหตุนี้เศษส่วนปริมาตร TiN) ในน้ำที่มีออกซิเจนสูง (5 ppm O2)- ที่มีความบริสุทธิ์สูง (1 uS/ซม.<1 ppb Cl-, 90 C) for up to 50 000 hours.

Residual Titanium (ppm) TiN Volume Fraction (%)TiN Inclusion Density (per mm2, >1 µm) ช่วงขนาด TiN (µm) เวลาเริ่มต้นของหลุมที่ 90 องศา (ชั่วโมง, 5 ppm O2) ความลึกของหลุมสูงสุดหลังจาก 10,000 ชั่วโมง (µm) แนะนำสำหรับบริการที่มีความบริสุทธิ์สูงแบบเติมออกซิเจน-<2 (Ti-free) <0.0002 <0.1 N/A >50,000 (ไม่มีบ่อ)<5 Best 2-5 0.0002-0.0005 0.1-0.5 1-2 30,000-50,000 5-15 Excellent 5-10 0.0005-0.001 0.5-2 1-3 15,000-30,000 15-30 Yes 10-20 0.001-0.002 2-5 2-4 8,000-15,000 30-50 Acceptable 20-30 0.002-0.003 5-10 2-5 5,000-8,000 50-80 Marginal 30-50 0.003-0.005 10-20 2-6 3,000-5,000 80-120 Not recommended 50-80 0.005-0.008 20-40 3-8 1,500-3,000 120-200 No >80 >0.008 >40 >5 <1,500 >200 เลขที่
อิทธิพลของออกซิเจนที่ละลายน้ำต่อ TiN- การเกิดรูพรุน

ออกซิเจนละลายน้ำที่สูงขึ้นจะทำให้กระบวนการแคโทดิกบน TiN เร็วขึ้น ส่งผลให้ระยะเวลาในการเริ่มต้นหลุมสั้นลง

Dissolved Oxygen (ppm) Pit Initiation Time at 10 ppm Ti (hrs)Pit Initiation Time (hours) at 30 ppm TiMaximum Ti for 10,000h Life at Given O_2 Level (ppm) 0.5 >50,000 15,000-25,000 50 1 35,000-50,000 10,000-15,000 40 2 25,000-35,000 8,000-12,000 30 5 15, 000-20,000 5,000-8,000 20 8 10,000-15,000 4,000-6,000 15 10 8,000-12,000 3,000-5,000 10 คำแนะนำการปฏิบัติสำหรับเครื่องทำน้ำอุ่นที่มีความบริสุทธิ์สูง

สำหรับเครื่องทำความร้อนแบบห่อหุ้ม 316L ในน้ำคุณภาพสูงที่ผ่านการเติมออกซิเจนที่ 90 องศา ขีดจำกัดไทเทเนียมที่แนะนำคือ:

ประเภทบริการ ออกซิเจนละลายน้ำ (ppm) Ti, ppm สำหรับหลุม 10,000 ชม.- วิธีการตรวจสอบการปฏิบัติในการผลิตเหล็กแบบฟรีไลฟ์
เภสัชกรรม WFI (O2 ต่ำ)<1 40 VAR (standard) ICP-MS for Ti Pharmaceutical WFI (high O2) 5-8 15 VAR (low Ti) ICP-MS for Ti Semiconductor UPW (high O2) 8-10 10 VAR (ultra-low Ti) GDMS analysis
การระบายความร้อนเสริมด้วยนิวเคลียร์ 2-5 25 การรับรองซัพพลายเออร์ VAR หรือ ESR
ใบรับรองอุตสาหกรรมที่มีความบริสุทธิ์สูงทั่วไป 2-5 30 AOD + Ti Mill ต่ำ
การรวม TiN และการตรวจสอบเนื้อหา Ti

ผู้ซื้อที่ต้องการขีดจำกัด TiN ที่แม่นยำมีวิธีการตรวจสอบสองวิธี ประการแรกคือการตรวจสอบทางเคมีของปริมาณไทเทเนียมโดย Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) หรือ Glow Discharge Mass Spectrometry (GDMS) การยอมรับ: Ti < 10-15 ppm สำหรับบริการที่มีความบริสุทธิ์สูง ประการที่สองคือการตรวจสอบทางโลหะวิทยาโดยการสแกนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ที่ 1,000-5,000× บนหน้าตัดขัดเงา- โดยนับการรวม TiN (รับรู้โดยสัณฐานวิทยาเชิงมุม ลูกบาศก์ สีทอง-เหลืองในโหมดอิเล็กตรอนแบบกระจายกลับ) การยอมรับ:<1-5 inclusions TiN per mm2 greater than 2 µm.

สรุป: Ultra Low Ti Spec สำหรับเครื่องทำน้ำอุ่นที่มีความบริสุทธิ์สูงแบบเติมออกซิเจน

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการเกิดรูพรุนเกิดขึ้นในเครื่องทำความร้อนที่หุ้มด้วยสเตนเลสสตีล 316L ในน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงที่มีออกซิเจน (5 ppm O2)- ที่ 90 องศา เมื่อการรวม TiN มีค่าต่ำเพียง 0.0005-0.001% (5-10 ppm Ti) สำหรับปริมาณ Ti ต่ำกว่า 2-3 ppm เวลาเริ่มต้นของหลุมจะมากกว่า 50,000 ชั่วโมง วิศวกรที่ใช้ปลอก 316L สำหรับ WFI ทางเภสัชกรรม, เซมิคอนดักเตอร์ UPW หรือการทำความร้อนเสริมด้วยนิวเคลียร์ต้องระบุการหลอมอาร์คสุญญากาศ (VAR) ด้วยความเข้มข้นของไทเทเนียมสูงสุด 10-15 ppm ที่ตรวจสอบโดย ICP-MS หรือ GDMS (Ti ไม่ได้ควบคุม โดยทั่วไปคือ 20-50 ppm) สำหรับ 316L ปกติจะขุดลงไปในน้ำที่มีความบริสุทธิ์สูงที่ผ่านการเติมออกซิเจนใน 2-5 ปีที่ 90 องศา ทำให้เกิดการปนเปื้อนของระบบความบริสุทธิ์สูง วิธีการที่ให้ไว้ ณ ที่นี้ ซึ่งเชื่อมโยงเปอร์เซ็นต์ปริมาตรของ TiN (จาก Ti ที่ตกค้าง) กับระยะเวลาการเริ่มต้นของหลุมในน้ำที่มีออกซิเจน ช่วยให้ลูกค้าสามารถระบุไทเทเนียม 316L ที่ต่ำเป็นพิเศษได้ ซึ่งทนทานต่อการเกิดรูพรุนที่เกิดจากการรวมตัวกันในการตั้งค่าที่มีความบริสุทธิ์สูงและมีออกซิเจนสูงซึ่งมีความต้องการมากที่สุด