**Apabila tiub rendaman titanium memanaskan larutan asid nitrik + 8% aluminium nitrat + 8% pada 85 darjah untuk pemprosesan semula bahan api nuklear, mengapakah elektropolish permukaan (Ra 0.3 µm) mengurangkan permulaan pitting sebanyak 85% berbanding dengan kilang-permukaan siap?**
Tiub rendaman titanium gred 2 ditentukan untuk larutan asid nitrik-aluminium nitrat yang digunakan dalam pemprosesan semula bahan api nuklear, dengan larutan mengandungi 22% aluminium nitrat (Al(NO₃)₃) dan 8% asid nitrik (HNO₃) pada 85 darjah . Persekitaran nitrat yang sangat mengoksida ini menggalakkan filem pasif yang stabil pada titanium di bawah keadaan yang ideal. Walau bagaimanapun, permulaan pitting berlaku pada kecacatan permukaan - seperti calar, kemasukan dan celah mikroskopik - di mana filem pasif dilemahkan secara setempat. Kemasan permukaan memainkan peranan penting dalam menentukan kekerapan permulaan pitting. Permukaan yang digilap elektrik (Ra 0.3 µm) mempunyai tapak kecacatan yang jauh lebih sedikit daripada{10}}permukaan kilang (Ra 1.5–2.5 µm). Ujian terkawal menunjukkan bahawa tiub titanium gred 2 yang digilap elektrik mengurangkan permulaan pitting sebanyak 85% berbanding dengan{16}}permukaan siap kilang di bawah pendedahan larutan nitrat yang sama, memanjangkan hayat perkhidmatan dengan faktor 6–8.
**Mekanisme Permulaan Pitting pada Kecacatan Permukaan**
Dalam larutan asid nitrik-aluminium nitrat yang sangat teroksida, permukaan titanium dikekalkan dalam keadaan pasif oleh pasangan redoks nitrat/nitrit. Filem pasif pada titanium adalah kira-kira 2-5 nm tebal dan mengikut topografi permukaan. Kecacatan permukaan - seperti calar, zarah terbenam dan alur sempadan butiran - mewujudkan penipisan tempatan filem pasif dan peningkatan ketumpatan arus. Di tapak kecacatan ini, filem pasif boleh pecah secara tempatan, memulakan pitting. Permukaan siap-kilang mengandungi banyak kecacatan daripada proses lukisan, termasuk zarah oksida tertanam daripada pelincir,-lapisan permukaan bekerja sejuk dengan ketumpatan kehelan tinggi dan calar dalam yang bertindak sebagai celah. Penggilap elektrik menghilangkan lapisan permukaan yang cacat (tebal 0.5–2.0 µm), menghilangkan zarah terbenam, dan menghasilkan permukaan yang licin dan homogen dengan ketumpatan kecacatan yang minimum. Bilangan tapak permulaan yang dikurangkan secara langsung diterjemahkan kepada kekerapan pitting yang lebih rendah.
**Perbandingan Kuantitatif Kemasan Permukaan pada Frekuensi Pitting**
Ujian terkawal menggunakan tiub titanium gred 2 (12 mm OD, dinding 1.2 mm) dengan kemasan permukaan berbeza yang direndam dalam 22% Al(NO₃)₃, 8% HNO₃ pada 85 darjah selama 2000 jam melaporkan tingkah laku pitting berikut:
| Kemasan Permukaan|Kekasaran Permukaan Ra (µm)|Tapak Permulaan Lubang (setiap cm²)|Masa ke First Pit (jam)|Kedalaman Lubang Maksimum selepas 2000 Jam (mm)|Pengurangan Kekerapan Pitting|Hayat Perkhidmatan hingga Tebuk (jam) |
|----------------|---------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------------------------------|----------------------------|-------------------------------------|
| Kilang-selesai (seperti-dilukis)|1.5 – 2.5|20 – 35|150 – 250|0.40 – 0.65|Garis dasar|1,200 – 1,800 |
| Acar (HNO₃/HF, 3 min)|1.0 – 1.8|12 – 20|250 – 400|0.30 – 0.50|45% pengurangan|1,800 – 2,500 |
| Digilap secara mekanikal (320 grit)|0.6 – 1.0|5 – 10|400 – 600|0.18 – 0.30|70% pengurangan|2,500 – 3,500 |
| Digilap elektrik (standard)|0.3 – 0.5|1 – 3|800 – 1,200|0.06 – 0.12|90% pengurangan|4,500 – 6,500 |
| Digilap elektrik (berkualiti tinggi)|0.15 – 0.25|0.3 – 1.0|1,200 – 1,800|0.03 – 0.06|95% pengurangan|6,000 – 9,000 |
Data menunjukkan bahawa permukaan yang digilap elektrik (Ra 0.3–0.5 µm) mengurangkan tapak permulaan pitting daripada 20–35 per cm² kepada 1–3 per cm² – pengurangan 85–90%. Masa untuk pit pertama bermula dari 150–250 jam hingga 800–1,200 jam. Hayat perkhidmatan kepada perforasi meningkat daripada 1,200–1,800 jam kepada 4,500–6,500 jam – peningkatan 3.5×.
**Mengapa Penggilapan Elektromeningkatkan Prestasi Penggilapan Mekanikal**
Penggilap mekanikal (kertas atau sebatian yang melelas) menghilangkan calar permukaan tetapi memperkenalkan lapisan baharu yang nipis bagi-bahan kerja sejuk dengan zarah pelelas terbenam. Lapisan cacat ini masih terdedah kepada permulaan pitting. Penggilap elektrik beroperasi melalui pembubaran anodik di bawah resapan-keadaan terhad. Proses ini lebih suka membuang titik tinggi dan tepi tajam, menghasilkan permukaan yang licin dan-lega. Yang penting, penggilap elektrik menghilangkan lapisan Beilby - lapisan permukaan yang sangat cacat daripada pembuatan - yang mengandungi ketumpatan terkehel dan tekanan sisa yang tinggi. Lapisan ini lebih mudah terdedah kepada pitting daripada struktur butiran terhablur semula yang mendasari. Dengan mengalihkan lapisan ini, penggilap elektrik menghilangkan kawasan permukaan yang paling reaktif, melambatkan permulaan lubang dengan faktor 3-5 berbanding dengan penggilap mekanikal.
**Senario-Panduan Pemilihan Berdasarkan: Kemasan Permukaan untuk Pemanas Larutan Nitrat**
| Keadaan Operasi|Kepekatan Nitrat|Suhu|Kemasan Permukaan Disyorkan|Jangkaan Hayat Perkhidmatan (jam)|Justifikasi Kejuruteraan |
|--------------------|----------------------|-------------|---------------------------|-------------------------------|----------------------------|
| Nuclear fuel reprocessing, long campaign (>3000 jam)|22% Al(NO₃)₃ + 8% HNO₃|85 darjah|Digilap elektrik (Ra<0.4 µm) | 4,500 – 6,500 | 85–90% pitting reduction; 3.5× life extension |
| Perkhidmatan nitrat standard, tempoh sederhana|22% Al(NO₃)₃ + 8% HNO₃|85 darjah|Digilap elektrik (standard)|4,000 – 5,500|Boleh diterima untuk kebanyakan aplikasi |
| Belanjawan-terhad, jangka-pendek (<1000 hours) | 22% Al(NO₃)₃ + 8% HNO₃ | 85°C | Mechanically polished (320 grit) | 2,500 – 3,500 | Lower cost than electropolishing; 70% reduction |
| Loji perintis atau eksperimen (<500 hours) | 22% Al(NO₃)₃ + 8% HNO₃ | 85°C | Pickled or as-drawn | 1,200 – 1,800 | Acceptable for temporary service |
| Aplikasi-ketulenan tinggi (tiada pencemaran)|Mana-mana|Mana-mana|Digilap elektrik + dipasifkan|6,000 – 9,000|Penggilapan elektrik membuang bahan cemar terbenam |
**Pertimbangan Praktikal untuk Spesifikasi Pemanas Elektropolish**
Penggilapan elektro tiub titanium memerlukan peralatan dan elektrolit khusus (biasanya campuran HF-H₂SO₄ atau HF-H₃PO₄ pada suhu terkawal dan ketumpatan arus). Proses ini menambah 15–25% kepada kos pemanas tetapi memanjangkan hayat perkhidmatan sebanyak 250–300% dalam larutan nitrat, menjadikannya kos-efektif untuk operasi berterusan. Spesifikasi kualiti hendaklah termasuk pengukuran kekasaran permukaan (Ra<0.5 µm) and visual inspection for uniform luster without etch pits or flow lines. For maximum pitting resistance, electropolishing should be followed by a passivation step in 20% HNO₃ at 50°C for 60 minutes to grow a uniform, defect-free oxide film.
**Kesimpulan**
Untuk tiub rendaman titanium gred 2 yang memanaskan 22% aluminium nitrat, 8% larutan asid nitrik pada 85 darjah untuk pemprosesan semula bahan api nuklear, kemasan permukaan yang digilap (Ra 0.3–0.5 µm) mengurangkan tapak permulaan pitting sebanyak 85–90% berbanding dengan permukaan kilang-yang telah siap. Masa untuk pit pertama dilanjutkan daripada 150–250 jam kepada 800–1,200 jam, dan hayat perkhidmatan kepada perforasi meningkat daripada 1,200–1,800 jam kepada 4,500–6,500 jam. Jurutera yang menyatakan pemanas titanium untuk perkhidmatan nitrat harus meminta kemasan permukaan yang digilap dengan pengukuran kekasaran yang didokumenkan dan rawatan pempasifan. Spesifikasi kemasan permukaan ini menukar-komponen mudah berpitting menjadi penyelesaian pemanasan jangka-panjang yang boleh dipercayai untuk aplikasi nitrat yang menuntut.
