Kuidas mõjutab titaantoru mikrostruktuur (alfa vs alfa{1}}beeta) selle vastupidavust vesiniku{2}}indutseeritud pragunemisele katoodkaitsesüsteemis?

Protsessi insener, kes tegeleb titaanist sukelsoojendiga katoodkaitstud süsteemis, nagu merevee soojusvaheti, maetud torujuhtmed või elektrolüütilised rakud, mõjutab titaantoru mikrostruktuur vastuvõtlikkust vesinikust põhjustatud pragunemisele (HIC). Kaubanduslikult puhtal titaanil (1., 2. või 3. klass) on alfa-faasiline (kuusnurkne tihedalt{5}}pakitud) mikrostruktuur. Alfa-beetasulamitel (klass 5, Ti-6Al-4V) on 6–10% beetafaasi (kere-keskne kuup). Beetafaasil on vesiniku lahustuvus suurem ja vesiniku difusioonivõime väiksem kui alfafaasil. Katoodkaitsesüsteemides, kus titaanpindadel moodustub vesinik, on alfa-beetasulamitel palju suurem vastupidavus HIC-le, kuna beetafaas on vesinikupüüdja ​​ja takistab kriitilise vesiniku kontsentratsiooni kogunemist terade piiridele. Kvantitatiivsed testid näitavad, et 5. aste (alfa-beeta) suudab neelata 3–5 korda rohkem vesinikku kui klass 2 (alfa), enne kui puruneb samades katoodtingimustes.

Titaanisulamite vesinikukindluse mikrostruktuurne alus
Vesiniku-indutseeritud pragunemine on tingitud vesiniku aatomist, mis difundeerub titaanvõre ja sadestub rabeda titaanhüdriidina (TiHx). Hüdriidi moodustumine põhjustab mahu suurenemist (umbes 17%) ja sisemisi pingeid, mis põhjustavad pragusid. Alfa-titaanis (2. aste) on vesiniku difusioon tugev (25 kraadi juures suurusjärgus 10 -6 cm 2 /s) ja vesiniku lahustuvuse piir enne hüdriidi sadenemist on madal (suurusjärgus 150 ppmw). 5. klassi alfa{11}}beeta-titaanil on beetafaasis oluliselt suurem lahustuvus vesinikus (kuni 1000 ppmw), kuid madalam difusioon (umbes 10-8 cm2/s 25 kraadi juures). Pinnal neeldunud vesinik difundeerub läbi alfa-{19}}faasi, kuni kohtub beetafaasi osakesega. Beetaosakesed püüavad ja neelavad vesiniku nii, et see ei saavutaks alfa-tera piiridel kriitilist kontsentratsiooni.

Kvantitatiivsed vesiniku läbilaskvuse testid katoodlaadimistingimustes (-1,0 V SCE 3,5% NaCl-s) näitavad, et 5. astme titaanil kulub 3000–5000 tundi pidevat katoodset kokkupuudet, et saavutada vesiniku kontsentratsioon 500 ppmw, samas kui 2. astme titaani kriitilise sisaldusega titaani moodustumine saavutab 150 hüdriidi ppm. 500-800 tundi. Mõranemisaeg on 5. astme puhul umbes 5–8 korda pikem kui 2. astme puhul identsete katoodkaitse tingimustes.

Mikrostruktuuri mõju vesiniku pragunemiskindluse modelleerimisele
Titaanklassi mikrostruktuur Vesiniku difusioonivõime (cm²/s, 25 kraadi) kriitiline H kontsentratsioon pragunemiseks (ppmw) HIC-takistus, pragunemise suhteline aeg (tundides) -1,0 V SCE juures
1. klass (puhas kaubanduslik) Alfa 1,2 × 10⁻⁶ 120-150 400-700 1.0 × (alustase)
2. klass (kaubanduslikult puhas) Alfa 1,0×10-6 150–200 500–800 1.2× Hinne 3 (kaubanduslikult puhas) Alfa 0,9×10-6 150–200 600–900 1.4×
7. klass (Ti-0,15 Pd) alfa 1,0x10-6 200-300 800-1,200 1.8×
5. aste (Ti-6Al-4V) alfa-beeta (6–10% beeta) 0,5 × 10⁻⁸ (beetafaas) 500–1, 000 3,000–5, 000 6.0× 9. klass (Ti-3Al-1 beeta) (Ti-3Al-10,5 × beeta) 10⁻⁸ 400–800 2 000–4,000 4.0 ×
12. klass (Ti-0,3Mo-0,8Ni) alfa 0,8×106 250-350 1,000-1,500 2.2×
Stsenaariumide alusel katoodkaitse mikrostruktuuri valimise juhend
Katoodkaitse seisund ja raskusaste Soovitatav titaani klassi (mikrostruktuur) 2. astme põhipõhimõtted v. eeldatav eluiga (aastad)
Nõrk katoodkaitse (potentsiaal –0,8 V SCE, merevesi, toatemperatuur) 2. klass (alfa) Baastase (5–10 aastat)Madal vesiniku neeldumiskiirus. Piisavalt alfa.
Mõõdukas katoodkaitse (potentsiaal -1,0 V SCE, merevesi, 50 kraadi) 7. aste (alfa koos Pd-ga) 1,5-2 × 2. klass Pallaadium vähendab vesiniku neeldumist, muutes pinnapotentsiaali.
Tugev katoodkaitse (potentsiaalne -1,2 V SCE, katooddepolarisatsioon, 80 kraadi) 5. aste (alfa-beeta) 4–6 × 2. astme beetafaas püüab vesinikku kinni, vältides pragunemist. Oluline pikaealisuse jaoks.
Muljetavaldav praegune katoodkaitse (laeva kere, avamereplatvorm) Vajalik on klass 5 või klass 9 5–8x Grade 2 alfa-beetaversioon. 1–2 aasta jooksul langeb HIC 2. klass läbi.
Ohveranoodi CP (tsink- või alumiiniumanoodid, potentsiaal -0,9 kuni -1,0 V)2–3 × 2. klass Pallaadiumisulam tagab piisava kaitse. 7. klassi (alfa) alfa-beeta ei ole vajalik.
Katoodkaitse hapu teenuse (H2S) keskkonnas 5. aste (HIC-test) (alpha-beta)H2S põhjustab vesiniku kogumist. Nõutav on kõik haputeenus Ainult NACE MR0175 sertifitseeritud alfa{6}}beetasulamid
Alfa{0}}beeta-titaankuumutite tehnilised aspektid
5. klassil (Ti-6Al-4V) on parem vastupidavus vesinikust põhjustatud pragunemisele, kuid sellel on kütteseadmete jaoks mitmeid piiranguid. 5. klassi soojusjuhtivus on umbes 6,7 W/m·K võrreldes 2. klassi 7,5 W/m·K, mis on 10% langus, seega on sama võimsuse jaoks vaja veidi rohkem pinda. 5. klassi teras tunduvalt kallim (~ 2-3 × 2. klass) ja selle elastsus on halvem, mistõttu on külmpainutamine raskem. Enamiku katoodkaitse rakenduste jaoks, kus potentsiaal ei ületa -1,0 V SCE, pakub 7. klass (Ti-0,15Pd) kulutõhusat kompromissi. Pallaadium muudab pinnapotentsiaali piirkonnaks, kus vesiniku eraldumine on alla surutud, vähendades neeldumist, ilma et oleks vaja beetafaasi. Tugeva katoodkaitse jaoks (alla -1,1 VSCE) või mis tahes hapu teenuse (H₂S olemasolu) jaoks on vaja 5. või 9. klassi alfa-beeta sulameid.

Järeldus: alfa{0}}beeta mikrostruktuur tagab 4–6 korda suurema HIC-takistuse
Titaantoru mikrostruktuur on otsustava tähtsusega selle vastupidavuses katoodkaitsesüsteemides vesinikust põhjustatud pragude suhtes. Alfa-faasi titaanil (klass 1, 2, 3) on tugev vesiniku difusioon ja madal lahustuvus, mille tulemuseks on kiire hüdriidide tootmine ja purunemine, kui vesinikusisaldus on üle 150–200 ppmw. Alfa-beetasulamitel (klass 5, Ti-6Al-4V) on beetafaasiosakesed, mis seovad vesinikku, nii et see ei kogune terade piiridele. Nad taluvad pragunemata vesiniku kontsentratsiooni kuni 500–1000 ppmw. Raskete katoodkaitsetingimuste korral (potentsiaal alla -1,0 V SCE, ülemäärane temperatuur või hapukas kasutusiga) on 5. klassi kasutusiga 4–6 korda kõrgem kui klassi 2 kasutusiga. Titaansoojendi määramisel katoodkaitset nõudvate rakenduste jaoks, nagu mereveesüsteemid, maetud seadmed või elektrolüütilised elemendid, pakkudes tarnijale eeldatavat katoodstruktuuri potentsiaali, temperatuur, temperatuur ja olemasolu võimaldab neil õiget faasi valida. vs. alfa-beeta), et vältida vesinikust põhjustatud pragunemist.