Làm cách nào để kéo dài tuổi thọ của tấm titan trong môi trường vận hành khắc nghiệt?--(II)

2.1 Ngăn ngừa ô nhiễm sắt và hiện tượng giòn do hydro

Ô nhiễm sắt là một trong những nguyên nhân nguy hiểm nhất-và có thể phòng ngừa-gây ra sự thoái hóa titan. Khi các hạt sắt nhúng vào bề mặt titan trong quá trình chế tạo, xử lý hoặc bảo trì, một cặp điện sẽ hình thành. Trong các điều kiện pH nhất định và các kịch bản ăn mòn điện trên 75 độ (165 độ F), cặp đôi này đẩy hydro nguyên tử vào ma trận titan, tạo thành các pha hydrua giòn làm giảm nghiêm trọng độ dẻo.
Nghiên cứu xác nhận rằng quá trình hấp thụ hydro bắt đầu khi ô nhiễm sắt/niken vẫn còn trên bề mặt titan. Nếu hàm lượng hydro vượt quá 500 ppm, các bộ phận sẽ bị sứt mẻ khi chịu tải. Phòng ngừa hoàn toàn đòi hỏi phải loại bỏ ô nhiễm sắt thông qua quá trình tẩy axit nitric trước khi điều hòa cặn.

Các biện pháp kiểm soát quan trọng:

• Nghiêm cấm sử dụng dụng cụ bằng hợp kim-đồng hoặc thép không gỉ dành riêng cho mọi hoạt động xử lý titan-tiếp xúc với thép cacbon
• Các khu vực chế tạo tách biệt ngăn chặn-nhiễm bẩn chéo từ bụi mài thép cacbon
• Thụ động axit nitric (20–40% HNO₃) để khử nhiễm bề mặt trước khi hàn hoặc xử lý nhiệt
• -làm sạch sau mối hàn bằng tấm chắn khí trơ để ngăn ngừa ô nhiễm do quá trình oxy hóa-gây ra

Độ sạch trong chế tạo và sửa chữa vẫn rất quan trọng để tránh hiện tượng hydrat hóa titan. Phản ứng hydrat hóa có thể tiếp tục cho đến khi xảy ra hiện tượng mất độ dẻo hoàn toàn và bất kỳ ứng suất nhất thời nào cũng có thể làm gãy các bộ phận bị ảnh hưởng-cho dù do trục trặc trong quy trình hay trong quá trình vận hành bảo trì.

Sự ăn mòn kẽ hở xảy ra ở những khoảng trống chặt chẽ vốn có trong thiết kế kết cấu-các mối nối mặt bích, bề mặt đệm, ống-đến-mở rộng mâm ống và các mối nối bắt vít-hoặc bên dưới cặn cặn bao phủ bề mặt titan. Mặc dù nghiên cứu ban đầu cho thấy titan chống lại sự ăn mòn kẽ hở trong nước biển, nhưng các cuộc điều tra sau đó đã xác nhận rằng môi trường clorua có nhiệt độ cao (chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt nước biển) và môi trường khí clo ướt thực sự có thể kích hoạt sự tấn công của kẽ hở.
Độ nhạy ăn mòn kẽ hở trong titan tuân theo thứ tự Cl⁻ > Br⁻ > I⁻-môi trường clorua có nguy cơ cao nhất, trái ngược với đặc tính ăn mòn rỗ của titan. Hơn nữa, các kẽ hở hình thành giữa vật liệu titan và phi kim loại (PTFE, amiăng) thể hiện tính nhạy cảm cao hơn so với các bề mặt titan{3}}với-titan. Trong thời gian ủ bệnh, sự suy giảm oxy trong kẽ hở sẽ dịch chuyển các phản ứng catốt ra bên ngoài trong khi quá trình hòa tan anốt diễn ra bên trong; các ion clorua di chuyển vào trong để duy trì sự cân bằng điện tích và quá trình thủy phân ion titan làm giảm độ pH-có khả năng giảm xuống dưới mức phân hủy màng thụ động tăng tốc 1.

Giao thức giảm nhẹ:

• Miếng đệm bằng hỗn hợp kim loại -có lót hoặc không-kim loại PTFE giúp ổn định môi trường điện hóa cục bộ và giảm khả năng ăn mòn kẽ hở
• Giảm thiểu các khe hở mặt bích thông qua gia công chính xác (độ nhám bề mặt Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 3,2 μm)
• Đối với nhiệt độ vận hành vượt quá 60 độ trong dịch vụ ổ trục- clorua, hãy chỉ định TA10 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) để tăng cường khả năng chống ăn mòn kẽ hở
• Định kỳ tháo gỡ và kiểm tra các bề mặt bịt kín trong quá trình quay vòng theo lịch trình-loại bỏ cặn TiO₂ màu trắng cho thấy có sự tấn công vào kẽ hở đang hoạt động

Độ cứng bề mặt tương đối thấp của titan (khoảng 250–350 HV đối với các loại được ủ tinh khiết về mặt thương mại) hạn chế hiệu suất của nó dưới sự mài mòn, mài mòn và tiếp xúc trượt. Công nghệ sửa đổi bề mặt giải quyết hạn chế này mà không ảnh hưởng đến tính chất cơ học của chất nền.

3.1 Thấm nitơ huyết tương để chống mài mòn

Thấm nitơ plasma tạo thành các lớp hợp chất TiN và Ti₂N cứng trên bề mặt titan, cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn. Đối với plasma hợp kim titan TA7 được thấm nitơ ở nhiệt độ 800 độ trong 10 giờ, độ dày lớp thấm nitơ đạt xấp xỉ 5 μm, độ cứng bề mặt đạt 1183,6 HV0,05-2,6 lần so với độ cứng của nền không được thấm nitơ. Đáng kể hơn, tốc độ mài mòn giảm hơn 99,3% so với vật liệu chưa được xử lý.

Quá trình thấm nitơ plasma hồ quang ở nhiệt độ thấp ở 500 độ với điện áp phân cực 400 V và áp suất làm việc 1,5 Pa tạo ra các lớp TiN và Ti₂N dày đặc. Khả năng chống mài mòn tối ưu xảy ra ở tỷ lệ nitơ-hydro là 2:1 trong hỗn hợp khí xử lý. Công nghệ này tăng cường các đặc tính bề mặt TC4 (Ti{12}}6Al-4V) mà không sửa đổi cấu trúc vi mô ma trận hoặc các đặc tính cơ học tổng thể - mở rộng giới hạn vận hành an toàn cho các ứng dụng kỹ thuật hàng không và hàng hải.

3.2 Quá trình oxy hóa anốt để phục hồi hàng rào ăn mòn

Anodizing tạo ra màng TiO₂ được kiểm soát trên bề mặt titan, với độ dày được điều chỉnh chính xác bằng điện áp DC áp dụng-thường là 10 đến 100 volt. Lớp oxit phát triển trực tiếp từ kim loại cơ bản thông qua liên kết-cấp nguyên tử, loại bỏ rủi ro bong tróc liên quan đến lớp phủ được áp dụng. Độ dày màng quyết định màu sắc giao thoa đặc trưng:

Anodizing phục vụ cả mục đích thẩm mỹ và chức năng. Đối với các ứng dụng bảo trì, quá trình oxy hóa anốt sẽ tái tạo màng thụ động trên bề mặt titan có biểu hiện đổi màu hoặc ăn mòn ở giai đoạn đầu. Quá trình khôi phục lại khả năng chống ăn mòn hoàn toàn mà không cần thay thế linh kiện. Độ cứng màng TiO₂ dao động từ HV 300–500 - thấp hơn so với bề mặt thấm nitơ nhưng đủ cho các ứng dụng hóa học thông thường nơi độ mài mòn ở mức tối thiểu.

Tiếp tục...

Liên hệ ngay