Da li vrsta metalnog jezgra (Incoloy vs. Titanium) mijenja izdržljivost adhezije PFA omotača pod cikličnim izlaganjem pari?

U cikličnoj upotrebi pare (naizmjenična zasićena para na 120–180 stepeni sa hlađenjem ili kondenzatom) izdržljivost adhezije PFA omotača na metalno jezgro se dramatično razlikuje za jezgra od incoloja i titanijuma. The coefficient of thermal expansion (CTE) of titanium is 8–9 ppm/℃while that of Incoloy is 14–17 ppm/℃. PFA ima CTE od 110 do 120 ppm/stepen. CTE neusklađenost između PFA i titana (110 vs 8.5=13× razlika) je veća nego između PFA i Incoloy-a (110 vs 15,5 ≈ 7× razlika). Ova veća neusklađenost dovodi do većeg smičnog naprezanja na međufaznoj površini tokom termičkog ciklusa što može umanjiti trajnost prianjanja. Ali titanov vlastiti oksid TiO 2 bolje se veže za PFA nego Incoloy-jevi miješani oksidi Cr 2 O 3, Fe 2 O 3 i NiO. U praksi, veći CTE neusklađenost titanijuma je nadoknađen njegovom jačom hemijskom adhezijom. Terenske studije pokazuju da PFA grijači s titanijumom{25}}imaju izdržljivost prianjanja sličnu ili veću od jedinica sa jezgrom Incoloy- kada su podvrgnute cikličnom izlaganju pari, ako je površina titanijuma adekvatno pripremljena (eloksirana ili{27}}tretirana plazmom). Netretirani titanijum radi loše; Tretirani titanijum pobeđuje Incoloy.

Mehanizmi prianjanja i naprezanje neusklađenosti CTE
Adhezija između PFA i metalnog jezgra uključuje mehaničko spajanje (hrapavost površine) i hemijsko vezivanje (interakcija fluor-metal oksida). Titanijum formira stabilan, debeo sloj TiO2 koji reaguje sa funkcionalnim grupama u modifikovanom PFA (prajmeri ili vezani slojevi). Mješoviti oksid koji nastaje u incoloy-u je manje aktivan. Mehanička brava se formira protokom PFA u površinsku mikro{5}} hrapavost (Ra 1–3 µm) tokom procesa ekstruzije. Metalno jezgro i PFA različito reaguju na cikličnu izloženost pari, šireći se i skupljajući različitim brzinama. Za grijač dužine 1 m, kolebanje temperature od 100 stepeni (npr. . 180 stepeni pare na 80 stepeni vode) dovodi do diferencijalnog širenja ΔL=(CTE_PFA – CTE_metal) × L × ΔT. Incoloy: (110–16)×10−6 × 1000 × 100=9,4 mm. Za titanijum: (110 – 8,5) x 10-6 x 1000 x 100=10.2 mm. Diferencijalno pomicanje je 0,8 mm više za jezgro od titana, što rezultira povećanjem međufaznog smične deformacije za 8-10%. Ovo implicira da titanijum ima manju izdržljivost prianjanja, međutim terenski podaci pokazuju suprotno.

The key is titanium's stronger chemical bond (Ti-O-CF2) that can take higher strain before debonding. The adhesion strength of PFA to suitably prepared titanium is 8-12 MPa (peel test) and to Incoloy 4-7 MPa. The somewhat higher strain is more than compensated by the higher bond strength (>2×).

Trajnost prianjanja pod cikličkom parom (10.000 ciklusa, pare od 120 do 180 stepeni, zatim gašenje do 80 stepeni)
Priprema površine metalnog jezgra Početna adhezija (ljuštenje MPa) Adhezija nakon 5000 ciklusa (MPa) Adhezija nakon 10 000 ciklusa (MPa) Način kvara Relativni vijek Incoloy 825 As-ekstrudirano (glatko) 3-4 1-2<1 (delaminated) Interface separation 1.0× Incoloy 825 Sandblasted + primer 5-7 3-5 2-3 Cohesive in primer 2-3× Titanium Grade 2 As-extruded (untreated) 2-3 0.5-1 (failed) <0.5 Poor initial bond 0.5×
Titanium Grade 2 Samo pjeskareno 4–6 2–4 1–2 Mehanička brava ne uspijeva 1.5×Eloksirano (sumporna kiselina) 7-9 5-7 4-5 Kohezivni u oksidnom sloju 4-5× Titanium Grade 2 Plazma prskana prajmerom 9-12 7-10 5-8 Miješano 5-8×
Titanijumska legura 6Al-4V (Grade 5) Anodizirana 8-11 6-9 5-7Vrlo odlično 6–8× Praktična razmatranja za odabir grijača
Za cikličke pare (autoklavi, reaktori sa parom, sterilizatori) izbor metalnog jezgra zavisi od vrste materijala i pripreme površine:

Ako proizvođač koristi normalno pjeskarenje + prajmer, koristite Incoloy. Incoloy je tolerantniji na pripremu površine i obezbediće prihvatljivo prijanjanje za većinu cikličkih parnih radova (5.000-10.000 ciklusa).

Odaberite prikladno pripremljen titan (eloksiran, tretiran plazmom) za najbolju izdržljivost prianjanja (10.000-20.000 ciklusa). Titan također ima bolju otpornost na koroziju prema oksidirajućim kiselinama i hloridima koji mogu biti prisutni u kondenzatu pare.

Nemojte koristiti titan u neobrađenom stanju (ekstrudiranom, glatkom ili loše hrapavom). brzo će se raslojiti pod cikličnom parom

Za rad parom iznad 180 stepeni, neusklađenost CTE u titanijumu je sve značajnija kada PFA omekša. Stoga, Incoloy može biti poželjniji iznad 200 stepeni. To je zbog manjeg diferencijalnog naprezanja (bliži CTE) i stoga manjeg naprezanja puzanja na granici.

Primjer polja
The pharmaceutical steriliser utilises Incoloy core PFA heaters and normal sandblasting. The heaters lasted 3 to 4 years (≈8000 cycles). The second batch was made with titanium cores with anodised surface treatment. The titanium heaters have been in use for 6+ years (>15.000 ciklusa). Korozija od kondenzata pare koji je sadržavao hlorid i koji je stvarao pitting na Incoloy površinama takođe je uklonjena pomoću titanijumskih jezgara (iako pitting nije direktno uticao na adheziju, to je bilo zabrinjavajuće). Tvornica trenutno traži eloksirani titan za sve usluge pare iznad 130 stepeni.

Simptomi kvara i inspekcija
PFA grijač može otkazati zbog gubitka adhezije pod cikličkom parom. PFA omotač može nabubriti ili mjehurići bez pucanja (para popunjava prazninu). U slučaju ozbiljnog kvara, PFA se može potpuno odvojiti i ostaviti metalno jezgro izloženim. Jednostavan terenski test: kapacitivnost između metalnog jezgra i vanjske elektrode. Povećanje kapacitivnosti (zračni jaz od delaminacije) ukazuje na gubitak adhezije. 20-50% povećanja u odnosu na osnovnu liniju je grijač za raslojavanje. Stabilan kapacitet je dobar grijač.

Zaključak: Dobro pripremljen Titanium Beats Incoloy
Cyclic steam exposure tests indicate that properly prepared titanium (anodised or plasma-treated) has 4-8X better adhesion durability than untreated Incoloy, and 2-3X better than primed Incoloy. Titanium has a greater CTE mismatch with PFA but this is offset by the stronger chemical connection (Ti-O-CF_2). Incoloy is better than untreated titanium. For cyclic steam service over 120°C, specify anodised titanium with verified adhesion test results (peel strength >6 MPa initial, >3 MPa nakon 5000 termičkih ciklusa). Ne prihvatajte "titanijumsko jezgro" bez definisanja pripreme površine. Priprema je ono što je bitno, a ne glavni materijal. Titanijum, urađen kako treba, pobeđuje. Loše pripremljen titanijum ne radi. Znajte razliku. • Navedite pripremu. • Odredite test adhezije. • Produžite život. Steam je gadan. Vaše jezgro bi trebalo da bude jače. Pažljivo birajte.