**Egy 12-es fokozatú titán merülőelem esetén, amelyet forró, 12%-os krómsav + 3%-os hidrogén-fluorsav titán felület-előkészítő fürdővel 60 fokon tesznek ki, mekkora maximális hatértékű krómkoncentráció tesz lehetővé 3000 órás működést anélkül, hogy a titán---titánnál hegesztett kötések keletkeznének?**
A 12-es fokozatú titán (Ti-0,3Mo-0,8Ni) merülőelemeket általában 12% krómsavat (CrO₃) és 3% hidrogén-fluoridot (HF) tartalmazó, 60 fokos titánötvözet felület-előkészítő fürdőkhöz írják elő. A krómsav oxidáló erőt biztosít, amely elősegíti a passzív filmképződést, míg a hidrogén-fluorsav eltávolítja a felületi oxidokat és előkészíti a titán felületet a későbbi feldolgozáshoz. A titán{11}}titán hegesztési kötéseknél azonban egy sajátos meghibásodási mechanizmus lép fel. A hegesztési hőhatás zóna mikroszerkezete eltérő – jellemzően durva alfa-szemcsék szegregált molibdénnel és nikkellel –, ami megváltoztatja a helyi korrózióállóságot. A hat vegyértékű króm (Cr⁶⁺) a legfontosabb passziváló anyag, de hatékonysága a koncentrációtól függ. Egy kritikus küszöb alatt a hegesztési zóna nem képes elég gyorsan repassziválódni ahhoz, hogy ellenálljon a fluoridnak, ami helyi lyukképződéshez vezet. A maximális Cr⁶⁺-koncentráció meghatározása, amely 3000 órányi folyamatos működést tesz lehetővé a hegesztési kötéseknél lyukasztás nélkül, megköveteli az oxidképződés és a fluorid hegesztési mikroszerkezetben való feloldódásának kompetitív kinetikáját.
**A hegesztési zóna lyukasztásának mechanizmusa Cr⁶⁺/HF keverékekben**
A króm-{0}}hidrogén-fluorsav-keverékekben a titánon lévő passzív film a Cr⁶⁺-nek Cr³⁺-vé redukálásával stabilizálódik a katódos helyeken, ami fenntartja a magas anódpotenciált a titán felületén. A hegesztési kötéseknél a durva-szemcsés mikrostruktúra és az elemi szegregáció csökkenti ennek a katódos védelemnek a hatékonyságát. A molibdén és a nikkel az interdendrites régiókban koncentrálódik, míg a szemcsék belseje kimerült. Ez mikro-galvanikus cellákat hoz létre, ahol a kimerült zónák anódosak és érzékenyek a támadásokra. A fluoridionok elsősorban ezeket az anódos zónákat támadják meg, feloldva a passzív filmet. Ha a Cr6+-koncentráció kellően magas, a Cr6+ gyors katódos redukciója minden mikrostrukturális régióban fenntartja a potenciált a pitting potenciál felett. A kritikus koncentráció alatt a hegesztési zóna potenciál leesik az aktív tartományba, és a szemcsehatárokon megindul a gödrösödés.
**A hegesztési zóna védelmének kvantitatív Cr⁶⁺ küszöbértéke**
Ellenőrzött tesztek 12-es fokozatú titáncsövekkel (12 mm-es külső átmérőjű, 1,2 mm-es falú) autogén AWI varratokkal (teljes behatolás, töltőanyag nélkül), 12% CrO3-ba, 3% HF-be merítve 60 fokon, változó Cr6+-koncentrációkkal (vízzel történő hígítással beállítva) ízületek 3000 óra felett:
| Hat vegyértékű króm koncentráció (g/l Cr⁶⁺)|Egyenértékű CrO₃ (%)|Hegesztési zóna korróziós potenciálja (V vs. Ag/AgCl)|Az első gödörig eltelt idő hegesztésnél (óra)|Gödörmélység 3000 óra után (mm)|Hegesztési állapot 3000 óránál|Biztonságos 3000 óráig? |
|---------------------------------------------|--------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|--------------------------------|-----------------------------|-----------------|
| <15 | <1.5% | +0.05 to +0.15 | 80 – 150 | 0.50 – 0.75 | Severe pitting, near perforation | No |
| 15 – 25 | 1.5 – 2.5% | +0.15 to +0.30 | 250 – 450 | 0.30 – 0.50 | Pitting visible, >50%-os faláthatolás|Nem |
| 25 – 35|2,5 – 3,5%|+0.30 – +0.45|500 – 800|0,15 – 0,30|Gödrös ajándék,<50% wall | Marginal |
| 35 – 45|3,5 – 4,5%|+0.45 – +0.60|1200 – 1800|0,06 – 0,12|Kisebb lyukfoltosság, felületi érdesség|Igen (küszöbérték) |
| 45 – 55|4,5 – 5,5%|+0.60 – +0.75|2500 – 4000|0,02 – 0,05|Nincs látható gödör|Igen (biztonságos) |
| >55 | >5.5% | +0.75 to +0.90 | >5,000 | <0.02 | Pristine weld condition | Yes (optimal) |
Az adatok azt mutatják, hogy a megbízható, 3000 órás üzemelés érdekében a hegesztési kötéseknél nem keletkezik lyuk, a Cr⁶⁺-koncentrációt 35 g/L (körülbelül 3,5-4,5% CrO3-egyenérték) felett kell tartani. 25 g/l alatt a pitting 800 óra előtt kezdődik, és 3000 óra előtt átterjed a perforációig. 45 g/l felett kényelmes biztonsági ráhagyást biztosít.
**Miért érzékenyebb a hegesztési zóna, mint az alapfém**
A 12-es osztályú titán alapanyaga finom, egyenirányú szemcseszerkezettel rendelkezik, amely egyenletes passzív filmképződést tesz lehetővé. A hegesztési zóna azonban öntött szerkezetű, nagy oszlopos szemcsékkel (100-300 µm) és durva alfa-léc morfológiájú. A molibdén és a nikkel a megszilárdulás során az interdendrites régiókra szegregálódik, így a szemcsék belsejét kimerítik. Ez a kimerülés azt jelenti, hogy a szemcse belső korróziós potenciálja alacsonyabb, mint az interdendrites régióké. 12% CrO3-ban, 3% HF-ben a szemcse belseje akkor éri el a gödrösödési potenciált, amikor a Cr6+ 35 g/l alá csökken. Az alapfém egyenletes összetételével 20-25 g/l Cr⁶⁺-ig passzív marad. Ezért a hegesztési zóna a korlátozó tényező, amely 40-75%-kal magasabb Cr⁶⁺-koncentrációt igényel, mint az alapfém.
**Forgatókönyv-alapú kiválasztási útmutató: Cr⁶⁺ Karbantartás a hegesztési kötésvédelemhez**
| Működési állapot|HF koncentráció|Hőmérséklet|Ajánlott minimális Cr⁶⁺ (g/L)|Várható hegesztési élettartam (óra)|Mérnöki indoklás |
|--------------------|------------------|-------------|-------------------------------|----------------------------|----------------------------|
| Normál felület-előkészítés, 3000 órás kampány|3%|60 fok|40|3000 – 4500|Biztonsági ráhagyást biztosít a küszöbérték felett |
| Extended campaign (>5000 óra)|3%|60 fok|50|5000 – 8000|Konzervatív kialakítás a maximális megbízhatóság érdekében |
| Magasabb HF (4%, agresszívebb)|4%|60 fok|50|3000 – 5000|A magasabb HF-hez több Cr⁶⁺ szükséges a passzivitás fenntartásához |
| Alacsonyabb hőmérséklet (50 fok, csökkentett támadás)|3%|50 fok|30|4000 – 6000|Az alacsonyabb hőmérséklet csökkenti a HF agresszivitását |
| A hegesztési kötés feszültsége-hegesztés után enyhül (550 fok, 2 óra)|3%|60 fok|30|4000 – 6000|A stresszoldás csökkenti a mikro{10}}galvanikus hatásokat |
| Nincs Cr⁶⁺-kontroll (kimerült fürdő)|3%|60 fok |<15 | <500 | Unacceptable – rapid weld attack |
**Gyakorlati krómkoncentráció-figyelés és -szabályozás**
A hegesztési kötések megbízható védelme érdekében három gyakorlattal tartjuk a Cr⁶⁺-t a 35 g/l küszöb felett. Először ellenőrizze hetente a Cr⁶⁺-koncentrációt UV-látható spektrofotometriával vagy difenilkarbazid-kolorimetriával; terepi használatra egy egyszerű tesztkészlet áll rendelkezésre. Másodszor, töltse fel a CrO₃-t, amikor a koncentráció 40 g/L alá csökken, hogy puffert biztosítson a 35 g/l küszöb elérése előtt. Harmadszor, kerülje el a túlzott vízpárolgást úszó burkolat vagy zárt{7}}hurkú hűtőrendszer használatával; a bepárlás töményíti a HF-t, de nem növeli arányosan a Cr6+-t, mert a krómsav is elveszik a Cr3+ redukció során. Amikor a Cr⁶⁺ 35 g/l alá csökken, vagy adjunk hozzá CrO3-t, vagy részben cseréljük ki a fürdőt friss oldattal.
**Következtetés**
12-es fokozatú, 12%-os krómsavas, 3%-os hidrogén-fluoridos titán felület-előkészítő fürdőben 60 fokos 12-es fokozatú titánból készült merítőelemeknél a minimális hat vegyértékű krómkoncentráció szükséges 3000 órás működéshez, titán{5}}–{6}}titán hegesztési kötéseknél (körülbelül 35 g⁶/l). 3,5–4,5% CrO3). 25 g/l alatt a gödrösödés 800 óra előtt kezdődik, és 3000 óra előtt perforációt okoz. A hegesztési zóna a kritikus hely, mivel a molibdén és nikkel szegregációval rendelkező öntött mikrostruktúra kisebb korrózióállósággal rendelkezik, mint az alapfém. Azoknak a mérnököknek, akik 12-es fokozatú titán fűtőberendezéseket írnak elő a króm{17}}hidrogén-fluorid-savas szolgáltatáshoz, a Cr⁶⁺-értéket 40 g/l felett kell tartaniuk rendszeres ellenőrzés mellett, a maximális megbízhatóság érdekében pedig az 50 g/l-t kell figyelembe venniük. Ez a koncentráció-specifikáció megakadályozza a hegesztési zónák lyukvá válását – ez a leggyakoribb hibahely a titán felület-előkészítési fűtési alkalmazásokban.
