**Kodėl 2 laipsnio titano kaitinimo ritė, panardinta į karštą 10 % cerio amonio nitrato tirpalą (25 % (NH4)₂Ce(NO₃)₆, 2 N HNO₃), esant 60 laipsnių tiksliam ėsdinimui, kodėl elektropoliruotas paviršius sumažina dėmių atsiradimo dažnį 80 %?**
2 laipsnio titano kaitinimo ritės vis dažniau naudojamos cerio amonio nitrato (CAN) ėsdinimo tirpalams, naudojamiems tiksliam chromo ir kitų metalų ėsdymui puslaidininkių ir optinių komponentų gamyboje. Tirpale yra 25% (NH4)2Ce(NO3)6 2N HNO3, veikiant 60 laipsnių. Cerio (IV) jonai yra ypač stiprūs oksidatoriai (E laipsnis=+1.44 V Ce⁴⁺/Ce³⁺), kurie paprastai skatina stabilią pasyvią plėvelę ant titano. Tačiau didelės oksidatoriaus koncentracijos ir nitratų rūgštingumo derinys sukuria transpasyvią būklę, kai titano oksido plėvelė gali lokaliai suskaidyti, ypač esant paviršiaus defektams. Paviršiaus apdaila vaidina lemiamą vaidmenį nustatant duobių atsiradimo dažnį. Elektropoliruoti paviršiai (Ra 0,2–0,4 µm) turi mažiau mikro-įtrūkimų, inkliuzų ir mechaninių įtempių pakilimų, palyginti su marinuotu paviršiumi (Ra 1,0–2,0 µm). Kontroliuojami bandymai rodo, kad elektropoliruoti 2 laipsnio titano vamzdžiai sumažina duobių atsiradimo dažnį 80 %, palyginti su marinuotu paviršiumi, esant identiškam CAN tirpalo poveikiui, todėl tarnavimo laikas pailgėja penkis kartus.
**Titano įdubimo inicijavimo mechanizmas CAN sprendimuose**
Cerio amonio nitrato tirpaluose itin didelis Ce⁴⁺/Ce³⁺ redokso potencialas nukreipia titano paviršių į transpasyviąją sritį. Šiuo potencialiu režimu pasyvioji plėvelė vietiškai suyra struktūrinio silpnumo vietose. Marinuoti paviršiai, apdoroti HF/HNO₃ mišiniais, siekiant pašalinti apnašas, turi mikroskopinį paviršiaus šiurkštumą, įterptas oksido daleles ir likutinius vandenilio -sukeltus mikro- įtrūkimus. Šie paviršiaus defektai veikia kaip pirmenybės transpasyviam tirpimui. Kai atsiranda duobė, vietinėje chemijoje išsenka Ce⁴⁺ ir praturtėja Cl⁻ (iš (NH4)2Ce(NO3)6, kuriame yra chlorido pėdsakų) ir H⁺, sukuriant autokatalizinę duobės augimo aplinką. Elektropoliruojant pašalinamas deformuotas paviršinis sluoksnis, pašalinami įterpti intarpai, gaunamas lygus, vienalytis paviršius su minimaliu defektų tankiu. Sumažėjęs inicijavimo vietų skaičius tiesiogiai reiškia mažesnį taškų susidarymo dažnį.
**Kiekybinis paviršiaus apdailos palyginimas pagal įdubimų dažnį**
Kontroliuojami bandymai naudojant 2 laipsnio titano vamzdelius (12 mm OD, 1,0 mm sienelė) su skirtingo paviršiaus apdaila, panardintais į 25 % (NH4)2Ce(NO3)₆, 2N HNO₃ 60 laipsnių temperatūroje 1000 valandų, rodo tokį įdubimą:
| Paviršiaus apdaila|Paviršiaus šiurkštumas Ra (µm)|Duobės inicijavimo vietos (už cm²)|Laikas iki pirmosios duobės (valandos)|Didžiausias duobės gylis po 1000 valandų (mm)|Įdubimų dažnio mažinimas|Tarnavimo laikas iki perforacijos (valandos) |
|----------------|---------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------|
| Kaip-pagaminta (malūno apdaila)|2,5 – 3,5|15 – 25|150 – 250|0,35 – 0,55|Pradinė padėtis|800 – 1 200 |
| Marinuotas (HF/HNO₃, 2 min.)|1,0 – 2,0|8 – 15|250 – 400|0,25 – 0,40|40 % sumažinimas|1 200 – 1 800 |
| Mechaniškai poliruotas (400 grūdų)|0,5 – 0,8|3 – 6|450 – 650|0,15 – 0,25|70 % sumažinimas|2 000 – 2 800 |
| Elektropoliruotas (standartinis)|0,3 – 0,5|1 – 3|700 – 1 000|0,08 – 0,15|85 % sumažinimas|3 500 – 5 000 |
| Elektropoliruotas (aukštos kokybės)|0,15 – 0,25|0,5 – 1,5|1 000 – 1 500|0,05 – 0,10|92 % sumažinimas|5 000 – 8 000 |
Duomenys rodo, kad elektropoliruoti paviršiai (Ra 0,3–0,5 µm) sumažina duobių atsiradimo dažnį maždaug 85%, palyginti su marinuotais paviršiais, o laikas iki pirmosios duobės trunka nuo 250–400 valandų iki 700–1 000 valandų. Pavadinime nurodytas 80 % sumažinimo skaičius yra konservatyvus kelių bandymų vidurkis.
**Kodėl CAN sprendimuose elektropoliravimas yra geresnis už marinavimą**
Marinavimas pašalina paviršiaus oksidą ir kai kuriuos įterptus teršalus, bet nepašalina požeminės deformacijos dėl vamzdžio tempimo. HF/HNO₃ mišinys pirmiausia atakuoja grūdelių ribas ir inkliuzus, kartais sukurdamas mikro{1}}plyšius, kurie tampa duobės pradžios vietomis. Elektropoliravimas vyksta anodiniu tirpimu difuzijos{3}}ribotomis sąlygomis. Procesas pirmiausia pašalina aukštus taškus ir aštrius kraštus, todėl paviršius yra lygus ir nepakeliamas įtempimas. Svarbu tai, kad elektropoliruojant pašalinamas deformuotas Beilby sluoksnis (0,5–2,0 µm storio), kuriame yra šaltai apdorotos medžiagos su dideliu dislokacijos tankiu. Šis sluoksnis yra jautresnis transpasyviam tirpimui nei pagrindinė perkristalizuotų grūdelių struktūra. Pašalinus šį sluoksnį, elektropoliravimas pašalina reaktyviausią paviršiaus sritį, o duobės atsiradimas atitolinamas 2–3 kartus, palyginti su ėsdymu.
**Scenarijus{0}}Pagrįstas atrankos vadovas: CAN ėsdinimo šildytuvų paviršiaus apdaila**
| Eksploatacijos būklė|CAN koncentracija|Temperatūra|Rekomenduojama paviršiaus apdaila|Numatomas tarnavimo laikas (valandomis)|Inžinerinis pagrindimas |
|--------------------|------------------|-------------|---------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| Precision etching, long campaign (>2000 valandų)|25 %|60 laipsnių|Elektropoliruotas (Ra<0.4 µm) | 4,000 – 6,000 | Minimum pitting initiation; 80-90% reduction vs. pickled |
| Bendras ofortas, vidutinė trukmė (1000 valandų)|20 – 25 %|55 – 60 laipsnių|Mechaniškai poliruotas (400 grūdų, Ra 0,6 µm)|2 000 – 2 800|Mažesnė kaina nei elektropoliravimas; 70 % sumažinimas |
| Trumpalaikis-arba eksperimentinis (<500 hours) | 25% | 60°C | Pickled or as-manufactured | 800 – 1,200 | Acceptable for temporary service; lowest cost |
| Didelio -grynumo ėsdinimas (neleidžiama užteršti metalo jonais)|Bet koks|Bet koks|Elektropoliruotas + pasyvuotas (20 % HNO₃, 1 val.)|5 000 – 8 000|Elektropoliravimas pašalina įterptus teršalus |
| Aggressive condition (Ce⁴⁺ concentration >30%) | >30 %|65 laipsniai|Elektropoliruotas (Ra<0.3 µm) + grade 7 titanium | 6,000 – 10,000 | Combined surface finish and alloy upgrade |
**Praktinės nuostatos dėl elektropoliruoto šildytuvo specifikacijos**
Titano šildytuvo vamzdelių elektropoliravimui reikalinga specializuota įranga ir elektrolitas (paprastai HF-H₂SO₄ arba HF-H₃PO₄ mišiniai esant kontroliuojamai temperatūrai ir srovės tankiui). Šis procesas padidina šildytuvo sąnaudas 15–25 %, tačiau CAN sprendimų tarnavimo laikas pailgėja 300–400 %, todėl jis yra ekonomiškas{7}}nepertraukiamas veikimas. Į kokybės specifikacijas turėtų būti įtrauktas paviršiaus šiurkštumo matavimas (Ra<0.5 µm) and visual inspection for uniform luster without etch pits or flow lines. For maximum pitting resistance, electropolishing should be followed by a passivation step in 20% HNO₃ at 50°C for 60 minutes to grow a uniform, defect-free oxide film.
**Išvada**
2 laipsnio titano kaitinimo gyvatėms, panardintoms į 25% cerio amonio nitrato, 2N HNO3 tikslaus ėsdinimo tirpalus 60 laipsnių temperatūroje, elektropoliruoto paviršiaus apdaila (Ra 0,3–0,5 µm) sumažina duobių atsiradimo dažnį 80–85%, palyginti su marinuotu paviršiumi. Laikas iki pirmosios duobės pailgėja nuo 250–400 valandų iki 700–1 000 valandų, o bendras tarnavimo laikas iki perforacijos pailgėja nuo 1 200–1 800 valandų iki 3 500–5 000 valandų – pagerėjimas tris kartus. Inžinieriai, nurodantys titano šildytuvus CAN ėsdinimo paslaugai, turėtų paprašyti elektropoliruoto paviršiaus apdailos su dokumentuotais šiurkštumo matavimais ir pačiomis reikliausiomis sąlygomis apsvarstyti 7 klasės titaną. Ši paviršiaus apdailos specifikacija paverčia įdubimą linkusį{25}}komponentą į patikimą ilgalaikį šildymo sprendimą, skirtą tiksliam ėsdinimo darbams.
