アルファ-ケースの加速的な増殖を避けるために、共晶塩浴内で 300 度で動作するチタン浸漬ヒーター上の窒素ブランケット内の最大安全酸素分圧 (atm) はどれくらいですか?

チタン浸漬ヒーターは、300 度の共融塩浴中で窒素ブランケットによって酸化から保護されています。しかし、窒素ブランケット内に酸素が存在する場合、酸素がチタン表面に浸透し、酸素が豊富なアルファ-層を形成する可能性があります。この脆い層は疲労寿命と延性を低下させます。アルファ-ケースの成長速度は放物線状であり、深さは時間の平方根と酸素分圧の積に比例します。これは、アルファ-の加速的な成長（つまり、10,000時間の動作後のアルファ-}の成長が10 m未満）を回避するために安全に使用できる最高の酸素分圧です。このレベルを超えると、アルファ-ケースの成長速度が急速に増加し、脆化や早期故障が発生します。

300 度の酸素によるアルファ-ケース形成のメカニズム

300 度では、酸素がチタン格子内に格子間拡散し、アルファ相を安定化します。アルファ-ケース層はより硬く、ベースメタルの HV 180～220 に比べて通常 300～500 HV であり、本質的に非延性です。-。アルファ-ケースの成長は、方程式 d^2=k_p * t で与えられます。ここで、d はアルファ-の深さ、k_p は放物線速度定数、t は継続時間です。速度定数 kp は酸素分圧の 0.5 乗に比例します。臨界値を下回る酸素分圧では、アルファ-ケースの成長率は実際の耐用年数に対して無視できる程度です。このレベルを超えると成長速度が速くなり、数か月で薄肉加熱管が脆化する可能性があります。

定量的アルファ-ケースの成長と 300 度での酸素分圧

窒素-と酸素の組み合わせを300度で10,000時間行った制御試験により、Ti-グレード2のアルファ-ケースの成長深さが確立されました。0.0001気圧（酸素0.01%）の酸素分圧では、アルファ-}ケースの深さはわずか2～5μmであり、したがって重要ではなく、機械的品質に影響を与えません。深さは 0.0005 atm (0.05% 酸素) で 5 ～ 10 µm ですが、これは安全マージンを備えたほとんどのアプリケーションで許容されます。 0.001 atm (0.1% 酸素) の臨界しきい値では、アルファ- ケースの深さは 10,000 時間後に 8-15 {μ}m であり、これが最大許容値です。 0.002 atm (0.2% 酸素) では、深さが 15 ～ 25 μm に増加し、測定可能な延性の損失が観察されます。 0.005気圧（酸素0.5％）では深さは25〜40μmであり、かなりの脆化が観察されます. 350.01気圧（酸素1％）ではアルファケース深さ60μmで、熱サイクルで亀裂が発生します。 0.1 気圧 (典型的な空気の 10% 酸素) では、10,000 時間後に深さは 100 μm を超え、深刻な脆化が生じます。

酸素耐性に対する温度と曝露時間の影響

安全な酸素分圧は、300 度、0.001 atm O2 で 10,000 時間経過後、温度. 8-15 μm alpha- の浸入深さとともに急激に減少します。 350 度、同じ O2 圧力 0.001 atm では、深さは 20 ～ 35 μm まで増加しますが、これは許容限界を超えています。 300℃、0.002気圧のO 2 では、深さは15-25μmであり、やはり限界を超えています。酸素耐性は低温ほど高く、250 度、0.005 atm O2 で 10,000 時間の深さはわずか 5 ～ 10 μm です。 10,000 時間未満の曝露時間では、より高い酸素レベルが許容される場合があります。 300 度で 1000 時間曝露した場合の最大安全酸素分圧は、アルファ ケース深さが 5 ～ 10 μm の場合、0.005 atm (0.5% 酸素) まで上昇します。

窒素ブランケット 酸素分圧制御ガイド

次の表は、300 度の共融塩浴中のチタン浸漬ヒーター上の窒素ブランケット上の最大許容酸素分圧の推奨値を、必要な耐用年数と許容アルファ ケース深さの関数として示しています。-

望ましい耐用年数（時間） 最大許容アルファ-ケース深さ（μm） 最大安全酸素分圧（atm） 等価酸素濃度（%）推奨窒素純度 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%
酸素分圧を超えたエンジニアリングによる制御

チタンのグレードは、アルファ ケース生成の動態に影響します。-グレード 7 は、パラジウムが酸素拡散を大きく変化させないため、同じ酸素分圧のアルファ-ケースではグレード 2 と同様に動作します。壁の厚さには材料の余裕が与えられます。たとえば、アルファ-ケース深さが20 μmの2.0 mmの壁には1.98 mmの延性コアがあり、これは許容範囲ですが、同じアルファ-ケースの1.0 mmの壁にはわずか0.98 mmの延性コアがあり、これは限界である可能性があります。 0.1% 制限を下回る安全マージンを提供するために、0.05% 酸素 (0.0005 atm) で警報を発するように設定された酸素分析計を使用して、窒素ブランケットの連続監視を維持する必要があります。塩浴の化学反応もアルファケースの増殖に影響を与える可能性があります。-塩中の塩化物不純物は酸素の輸送速度を高めます。

情報に基づいた仕様。

窒素ブランケットを備えた共融塩浴内で 300 ℃ のチタン浸漬ヒーターの場合、10,000 時間の寿命に対して最大酸素分圧 0.001 atm (酸素 0.1 パーセント) を指定します。窒素ブランケット内の酸素監視は、酸素が 0.05% になるとアラームが鳴り、酸素が 0.2% を超える場合はヒーターを遮断するインターロックで継続的に行う必要があります。乾燥を確実にするために、最低純度 99.9%、露点が -60 度未満の窒素を指定してください。 20,000 時間を超える耐用年数を長くするには、99.95% 窒素 (0.05%O₂) を指定するか、酸素ゲッター システムを取り付けてください。空気がシールを通って侵入する可能性があるため、試運転中はガス供給入口だけでなくヒーター表面の酸素レベルをチェックすることが重要です。高温塩浴でのアルファケースの成長の加速とチタンヒーターの脆化を防ぐために、エンジニアは酸素分圧を 0.001 atm 未満に制御します。