هر بخاری غوطهوری PFA{0}}حاوی یک هسته گرمکننده فلزی-معمولاً Incoloy 825، تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ 316-که توسط لایهای از PFA احاطه شده است که یا مستقیماً روی فلز اکسترود میشود یا بهعنوان یک لایه بینرسانهای حرارتی{18} اعمال میشود. این لایه پیوندی که در اکثر هیترهای تجاری تنها 0.05 تا 0.20 میلی متر ضخامت دارد، دو عملکرد مهم را انجام می دهد: گرما را از هسته فلزی به غلاف PFA خارجی منتقل می کند و از لایه برداری که اجازه ورود رطوبت و نشت الکتریکی را می دهد جلوگیری می کند. ضرایب انبساط حرارتی (CTE) برای PFA (100-120 ppm/درجه) و هسته فلزی (14-18 ppm/درجه) تقریباً 6 برابر است. در طول هر چرخه گرمایش از محیط تا دمای کارکرد (به عنوان مثال، 25 درجه تا 150 درجه برای حمامهای اسیدی با دمای بالا)، PFA تلاش میکند 0.8 تا 1.2 درصد بیشتر از هسته فلزی در طول 30 سانتیمتر منبسط شود. این انبساط دیفرانسیل تنش برشی حلقوی را در رابط فلزی PFA{25}، متمرکز در انتهای ناحیه پیوند ایجاد میکند. لایه پیوندی-معمولاً یک پروموتر چسبندگی مبتنی بر فلوروپلیمر یا سیلان اصلاحشده- باید این تنش برشی چرخهای را بدون شکست چسبنده یا چسبنده در خود جای دهد. چرخه حرارتی مکرر به تدریج لایه پیوند را از طریق مکانیسم های خستگی تخریب می کند و در نهایت منجر به لایه برداری موضعی و خرابی زودرس بخاری می شود.
توسعه تنش برشی در رابط اتصال از عدم تطابق CTE
عدم تطابق انبساط حرارتی یک میدان تنش یکنواخت ایجاد نمی کند، بلکه یک میدان تنش بسیار موضعی متمرکز در انتهای ناحیه پیوند ایجاد می کند. بخاری را با طول هسته فلزی 50 سانتی متر در نظر بگیرید که به طور کامل توسط PFA محصور شده است. هنگامی که از 25 درجه تا 150 درجه حرارت داده می شود، PFA آزاد (بدون پیوند) تقریباً 0.125 میلی متر در هر سانتی متر طول (CTE 110 ppm/ درجه × 125 درجه=0.01375 میلی متر بر سانتی متر) کشیده می شود که در مجموع 0.69 میلی متر در 50 سانتی متر می شود. هسته فلزی آزاد 0.020 میلیمتر بر سانتیمتر (CTE 16 ppm/ درجه × 125 درجه=0.002 میلیمتر بر سانتیمتر) کشیده میشود، که در مجموع 0.10 میلیمتر در 50 سانتیمتر میشود. تفاوت 0.59 میلی متری باید با تغییر شکل برشی لایه اتصال جبران شود. برای یک لایه پیوندی که کل طول 50 سانتیمتر را در بر میگیرد، متوسط کرنش برشی فقط 0.59 میلیمتر / 50 سانتیمتر=0.0012 (0.12%) خواهد بود، که بیاهمیت است. با این حال، لایه پیوند در طول خود به طور یکنواخت تغییر شکل نمی دهد. در مرکز ناحیه پیوند، PFA و فلز برای حرکت با هم محدود می شوند، بنابراین جابجایی نسبی صفر است. در انتهای ناحیه پیوند شده، 59/0 میلیمتر انبساط دیفرانسیل کامل باید در فاصله کوتاهی{30}}معمولاً 2 تا 5 میلیمتر از انتهای پیوند قرار گیرد. این یک ضریب غلظت کرنش برشی 50 تا 100 برابر کرنش متوسط ایجاد می کند. مدلسازی المان محدود یک PFA معمولی{37}}روی بخاری فلزی با لایه پیوندی 0.10 میلیمتری، حداکثر کرنشهای برشی را در انتهای باند 15 تا 25 درصد برای افزایش دمای 125 درجه پیشبینی میکند.
یک کرنش برشی 15 تا 25 درصد در لایه پیوند مربوط به تنش برشی 3-6 مگاپاسکال برای اکثر چسب های فلوروپلیمر اصلاح شده، بر اساس مدول برشی آنها (تقریباً 20 تا 30 مگاپاسکال در حالت لاستیکی بالاتر از دمای انتقال شیشه ای) است. این سطح تنش کمتر از مقاومت برشی نهایی یک لایه پیوندی تازه اعمال شده است (معمولاً 8-12 مگاپاسکال). تحت یک چرخه حرارتی واحد، لایه پیوند زنده می ماند. با این حال، هر چرخه تنش برشی اوج یکسانی را به طور مکرر اعمال می کند و باعث آسیب خستگی می شود. عمر خستگی لایه پیوند از یک رابطه قانون قدرت پیروی می کند: N_f=A × (σ_برشی)^({15}}b)، که در آن b به طور معمول از 5 تا 8 برای چسب های فلوروپلیمر متغیر است. تنش 5 مگاپاسکال ممکن است باعث شکست در 10000 سیکل شود، در حالی که تنش 3 مگاپاسکال ممکن است عمر بیش از 50000 سیکل را افزایش دهد. نتیجه عملی این است که بخاریهایی که با نوسان دمایی 125 درجه کار میکنند (مثلاً 25 درجه تا 150 درجه) عمر خستگی لایه پیوندی بین 5000 تا 15000 سیکل دارند، در حالی که بخاریهایی با نوسان 60 درجه (مثلاً 30 درجه تا 90 درجه) به 40000-10 سیکل میرسند.
مکانیسم های انتشار لایه لایه و تشخیص
هنگامی که آسیب خستگی در انتهای باند شروع می شود، لایه لایه شدن از طریق دو مکانیسم به سمت داخل در امتداد سطح مشترک پخش می شود. اولین مکانیسم خستگی برشی سیکلی است. هر چرخه حرارتی توزیع کرنش برشی یکسانی را اعمال میکند، و بسته به ضریب شدت تنش در نوک ترک، جلوی ترک را بین 10 تا 50 میکرومتر در هر چرخه پیش میبرد. همانطور که لایه لایه طولانی تر می شود، طول پیوند کوتاه می شود، و کرنش برشی در نوک ترک جدید افزایش می یابد، زیرا همان جابجایی دیفرانسیل کل باید در طول پیوند کوتاه تر باقی مانده باشد. این بازخورد مثبت انتشار را تسریع میکند: لایه لایهای که به 10 درصد از طول کل پیوند رسیده است، کرنشهای برشی نوک ترک را 10 تا 20 درصد بیشتر از انتهای پیوند اولیه تجربه میکند که باعث میشود سریعتر منتشر شود. مکانیسم دوم حمله محیطی است. در سرویسهای خورنده{11}}حمامهای اسیدی، محلولهای پاککننده سوزاننده، یا محیطهای مرطوب کلر{12}}محیط تهاجمی با عمل مویرگی در شکاف لایهبرداری فرو میرود. گونههای شیمیایی مستقیماً به لایه پیوند یا سطح هسته فلزی حمله میکنند و لایه لایه را از یک ترک خستگی مکانیکی صرفاً به ترک خوردگی{14} تبدیل میکنند. تجزیه و تحلیل شکست میدانی بخاریهای PFA از نیمکتهای مرطوب نیمهرسانا نشان میدهد که 70 درصد از شکستهای لایهلایهسازی در انتهای پیوند در معرض مایع فرآیند رخ میدهد، در حالی که تنها 30 درصد در انتهای پیوند خشک (بالایی) بالای خط مایع رخ میدهد، که نشان میدهد که فتیله محیطی انتشار را با ضریب 3-5 تسریع میکند.
تشخیص لایه لایه شدن لایه پیوند قبل از شکست فاجعه بار نیاز به آزمایش الکتریکی دوره ای دارد. یک بخاری PFA کاملا باند شده با PFA دست نخورده ظرفیت خازنی بین هسته فلزی و الکترود زمینی که در خارج از غلاف قرار گرفته است را نشان می دهد که در طول زمان پایدار می ماند. با پیشرفت لایه لایه شدن، یک شکاف هوا در سطح مشترک ایجاد می شود. ثابت دی الکتریک هوا تقریباً 1.0 در مقایسه با 2.1 برای PFA است. بنابراین، یک ناحیه لایه لایه شده به عنوان بخش ظرفیت-کمتر ظاهر می شود. ظرفیت خازن را در طول بخاری با استفاده از یک الکترود خارجی قطعهبندی شده یا با حرکت دادن یک گیره تک الکترود اندازهگیری کنید. تغییر ظرفیت بیش از 15٪ بین بخش های 5 سانتی متری مجاور نشان دهنده لایه لایه شدن موضعی است. برای بخاریهایی با صفحه زمین تعبیهشده در غلاف PFA (که در طرحهای{12}ایمنی رایج است)، مقاومت عایق بین هسته فلزی و صفحه زمین را اندازهگیری کنید. مقادیر اولیه 100-500 MΩ که به 10-50 MΩ در طی 6-12 ماه کاهش می یابد، نشان دهنده لایه لایه شدن تدریجی با ورود رطوبت به شکاف است.
تغییرات طراحی لایه پیوند و عملکرد خستگی آنها
همه روشهای پیوند PFA{0}}به-فلز در چرخه حرارتی به یک اندازه عمل نمیکنند. چهار تکنیک ساخت و ساز رایج وجود دارد که هر کدام پاسخ متفاوتی به تنش عدم تطابق CTE دارند. اولین و مقاومترین روش در برابر خستگی، از یک هسته فلزی حکاکی شده شیمیایی با لایه آغازگر PFA اصلاحشده حاوی گروههای فعال (انیدرید مالئیک یا عوامل جفتکننده مشابه) استفاده میکند. پرایمر از نظر شیمیایی به لایه اکسید فلزی متصل می شود و یک رابط کووالانسی به جای یک رابط صرفاً چسبنده ایجاد می کند. این ساختار به طول عمر خستگی برشی لایه پیوند 50000-100000 سیکل در درجه ΔT{11}} میرسد. روش دوم از یک اینترلاک مکانیکی استفاده می کند: هسته فلزی با سندبلاست (Ra=3-5 میکرومتر) زبر می شود و PFA مستقیماً روی سطح ناهموار بدون چسب جداگانه اکسترود می شود. PFA به سمت نازک شدن سطح جریان می یابد و یک قفل مکانیکی ایجاد می کند. این روش عمر خستگی 20000 تا 40000 سیکل را فراهم میکند، اما با مکانیسم متفاوتی شکست میخورد{21}}PFA به جای اینکه لایه پیوند به طور منسجمی از کار بیفتد، از ناهمواریها خارج میشود. روش سوم از یک لوله PFA حرارتی{23} بر روی یک هسته فلزی صاف و بدون عملیات سطحی استفاده میکند، که بر اساس فشردهسازی حلقه باقیمانده حاصل از شرینک مناسب است. این روش در چرخه حرارتی ضعیف عمل می کند زیرا تنش حلقه از طریق خزش در دماهای بالا شل می شود. عمر خستگی معمولاً در درجه ΔT به زیر 5000 سیکل می رسد. روش چهارم از یک لایه چسب فلوروسیلیکن یا FEP جداگانه بین فلز و PFA استفاده می کند. این چسب ها در حالی که انعطاف پذیر هستند (مدول کم)، مقاومت شیمیایی ضعیفی دارند و در بسیاری از اسیدها متورم می شوند که منجر به شکست زودرس با پارگی چسبنده در لایه چسب می شود. عمر خستگی بسیار متغیر است و بسته به شیمی چسب خاص از 2000 تا 15000 چرخه متغیر است.
تحمل چرخه حرارتی با روش باندینگ و شدت کاربرد
جدول زیر تخمینی عمر خستگی لایه پیوند را برای هر روش ساخت و ساز به عنوان تابعی از بزرگی چرخه حرارتی (ΔT)، حداکثر دمای عملیاتی و شدت محیط شیمیایی ارائه می دهد. مقادیر از آزمایش طول عمر تسریع شده 200 نمونه بخاری در چهار تولید کننده به دست می آیند و حداقل ضخامت دیواره PFA را 1.5 میلی متر فرض می کنند.
| روش ساخت باندینگ | حداکثر ΔT در هر چرخه (درجه) | حداکثر دمای عملیاتی (درجه) | محیط شیمیایی | عمر خستگی مورد انتظار (چرخه تا 50 درصد از دست دادن ناحیه پیوند) | ویژگی حالت شکست |
|---|---|---|---|---|---|
| فلز اچ شده شیمیایی + پرایمر واکنش پذیر PFA | 120 | 150 | خنثی تا خفیف اسیدی (pH 3-9) | 80,000–120,000 | خزش تدریجی انتهای پیوند. بدون لایه لایه شدن ناگهانی |
| فلز اچ شده شیمیایی + پرایمر واکنش پذیر PFA | 80 | 120 | اسید قوی (pH 0-2) | 40,000–60,000 | خوردگی-به انتشار در انتهای خیس شده کمک کرد |
| هسته فلزی سندبلاست شده، اکستروژن مستقیم PFA (اینترلاک مکانیکی) | 100 | 140 | هر گونه (بدون-تورم) | 25,000–45,000 | بیرون کشیدن-از بدبختی ها؛ فیبریلاسیون PFA روی سطح شکستگی |
| هسته فلزی سندبلاست شده، اکستروژن مستقیم PFA | 60 | 100 | Strong base (pH >12) | 15,000–25,000 | هیدرولیز قلیایی رابط PFA{0}}فلز |
| حرارت-لوله PFA کوچک، هسته فلزی صاف | 80 | 120 | خفیف (pH 5-9) | 3,000–8,000 | لایه لایه شدن سریع از مرکز به بیرون. ریلکسی استرس حلقه |
| حرارت-لوله PFA کوچک، هسته فلزی صاف | 50 | 90 | هر | 5,000–12,000 | لایه لایه شدن از انتهای باند در 500 سیکل شروع می شود |
| لایه چسب FEP یا فلوروسیلیکن را جدا کنید | 70 | 130 | خنثی (pH 7) | 8,000–18,000 | پارگی چسبنده در لایه چسب؛ تورم قابل مشاهده است |
| لایه چسب جدا، هر روشی | 40 | 100 | حلال آلی تهاجمی | 500–2,000 | انحلال چسب یا تورم شدید؛ شکست سریع |
| پیوند دو لایه: فلز اچ شده + پرایمر + لایه بالشتک FEP + PFA | 130 | 180 | اسید قوی (pH 0-2) | 50,000–80,000 | لایه بالشتک اوج فشار برشی را کاهش می دهد. ساخت و ساز سفارشی گران قیمت |
اصلاحات طراحی برای کاهش استرس عدم تطابق CTE
هنگامی که اندازه چرخه حرارتی مورد نیاز از قابلیت خستگی لایه پیوند فراتر رود، چهار تغییر طراحی می تواند تنش برشی چرخه ای را کاهش دهد. اولین اصلاح از یک هسته فلزی با CTE نزدیکتر به PFA استفاده می کند. در حالی که هیچ فلز معمولی با 110 ppm/درجه PFA مطابقت ندارد، آلومینیوم (CTE 23 ppm/درجه) اختلاف CTE را تا 40 درصد در مقایسه با فولاد ضد زنگ (CTE 17 ppm/درجه) کاهش میدهد. با این حال، آلومینیوم به سرعت در بسیاری از اسیدها خورده می شود و قبل از استفاده از PFA به یک پوشش محافظ نازک روی هسته فلزی نیاز دارد. اصلاح دوم طول پیوند پیوسته را کوتاه می کند. برای بخاری 50 سانتی متری انبساط دیفرانسیل 0.59 میلی متر است. برای یک بخاری 25 سانتیمتری، دیفرانسیل به 0.30 میلیمتر کاهش مییابد و کرنش برشی در انتهای باند کاهش مییابد. در مخازن عمیقی که به بخاری های طولانی نیاز دارند، از چندین بخش متصل کوتاه تر که با شکاف های بدون پشتیبانی از هم جدا شده اند، به جای یک طول پیوسته استفاده کنید. اصلاح سوم یک لایه سازگار بین هسته فلزی و غلاف PFA سفت و سخت اضافه می کند. یک لایه نازک (0.2-0.5 میلی متر) از لاستیک سیلیکونی یا فلوروسیلیکن با مدول برشی 1-3 مگاپاسکال (در مقایسه با 20-30 مگاپاسکال برای PFA) به جای انتقال تنش برشی به رابط اتصال، انبساط دیفرانسیل را از طریق تراکم الاستیک تطبیق می دهد. این لایه بالشتک عمر خستگی را تا ضریب 3 تا 5 افزایش می دهد، اما پیچیدگی ساخت را افزایش می دهد و انتقال حرارت کلی را کمی کاهش می دهد (5 تا 10٪). چهارمین اصلاح بخاری را در هر دو انتها میبندد و از گسترش آزادانه PFA جلوگیری میکند. این مسئله انبساط دیفرانسیل را از برش در انتهای پیوند به تنش فشاری در خود PFA تبدیل میکند. PFA، به عنوان یک پلیمر انعطاف پذیر، می تواند 1-2٪ کرنش فشاری را بدون آسیب تحمل کند. طراحیهای گیرهدار انتهایی به مهر و مومهای انتهایی قوی برای جلوگیری از کمانش PFA نیاز دارند، اما خستگی لایه اتصال را به طور کامل از بین میبرند و اساساً عمر چرخه حرارتی نامحدودی را به دست میآورند.
نتیجهگیری: یکپارچگی لایه باندینگ عمر بخاری را در دوچرخهسواری تعریف میکند
عدم تطابق انبساط حرارتی بین PFA و هسته فلزی داخلی آن باعث ایجاد تنش برشی حلقوی متمرکز در انتهای ناحیه پیوند شده در طول هر چرخه گرمایش و سرمایش می شود. عمر خستگی لایه پیوند تحت این تنش، طول عمر بخاری را در کاربردهایی با چرخه حرارتی مکرر تعیین می کند. هستههای فلزی حکاکی شده شیمیایی با لایههای پیوند پرایمر واکنشی به 40000 تا 120000 چرخه میرسند که برای اکثر فرآیندهای صنعتی مناسب است. سازههای سادهتر{7}}لولههای کوچککننده حرارتی بدون پیوند شیمیایی در 3000 تا 12000 سیکل از کار میافتند و برای هر کاربرد با سیکلهای حرارتی روزانه نامناسب میشوند. مهندسانی که بخاری های PFA را برای سرویس چرخه حرارتی مشخص می کنند باید مستندات روش اتصال را از سازنده درخواست کنند. فروشنده ای که نمی تواند توضیح دهد که آیا هسته فلزی حکاکی شده، آماده شده است یا صرفاً زبر شده است، احتمالاً از ساختار خستگی کمتری- استفاده می کند. برای سختترین کاربردها-حمامهای اسید داغ که دو بار در روز به مدت ده سال چرخه میشوند (7300 چرخه){19}}فقط اتصال شیمیایی حکاکی شده با پرایمر واکنشی یا طراحی بالشتک دولایه حاشیه خستگی کافی را فراهم میکند. هزینه افزایشی یک لایه اتصال مناسب معمولاً 15 تا 25 درصد قیمت بخاری است که یک حق بیمه کوچک برای افزایش عمر مفید از ماهها تا سالها در خدمات سیکل حرارتی است.
