Plus de délaminage : explication de la tige d'anode en titane dégradé

Lors de la fabrication d'hypochlorite de sodium, la température des cellules électrolytiques passe de la température ambiante à 40 degrés jusqu'à 60 degrés, en fonction de la densité de courant et de la conception du système. Lorsqu'elle est chauffée, la base de titane et le précieux revêtement d'oxyde métallique se développent à des rythmes différents. Cette différence de coefficients de dilatation thermique provoque des contraintes mécaniques à la rencontre de deux matériaux.

Les processus répétés de chauffage et de refroidissement, qui se produisent fréquemment au cours des opérations de 24 heures, génèrent du stress. Au fil des mois d'utilisation, de minuscules fissures commencent à apparaître aux points faibles du revêtement. De telles microfissures se déplacent à travers le revêtement jusqu'à ce qu'il se sépare, permettant ainsi la passivation du titane situé en dessous.

Les réactions électrochimiques créent leurs propres modèles de stress en plus des effets de la chaleur. Des densités de courant élevées provoquent des processus de dégagement de chlore qui produisent de l'oxygène. Cela produit des bulles de gaz qui exercent une contrainte physique sur la surface du revêtement. Dans le même temps, de puissants ions chlorure traversent les défauts du revêtement pour atteindre la base en titane et créent des produits de corrosion qui se propagent sous la couche de revêtement.

Cette rouille sous la surface fonctionne comme un coin, éloignant lentement la couche de la base. La structure des couches MMO uniformes traditionnelles n'est pas assez solide pour supporter ces charges combinées, en particulier dans les endroits contenant plus de 3 % de chlorure de sodium.

De nombreux problèmes de revêtement peuvent être attribués à une mauvaise préparation de la base. Si la surface n’est pas assez rugueuse, elle ne peut pas fournir suffisamment de points de liaison mécanique pour le revêtement. Les huiles, les oxydes ou les restes de produits chimiques de traitement peuvent contaminer et affaiblir les zones de liaison, qui deviennent alors des lieux de délaminage.

Même si les revêtements monocouches de ruthénium pur-dégradent efficacement le chlore, ils sont également très fragiles et peuvent se fissurer lorsqu'ils sont soumis à de fortes contraintes. Les revêtements normaux en ruthénium-iridium rendent les choses plus flexibles, mais ils n'ont pas les caractéristiques-de réduction des contraintes nécessaires pour une durée de vie plus longue dans des conditions électrolytiques difficiles.

A ttige d'anode en titane avec un dégradé a des ratios de métaux précieux qui changent régulièrement à mesure que l'épaisseur de la couche change. La couche la plus proche du substrat en titane contient plus de titane, ce qui rend les produits chimiques compatibles et réduit les contraintes à l'interface. Pour améliorer l'activité catalytique, les couches intermédiaires augmentent progressivement les quantités de ruthénium et d'iridium présentes. La couche supérieure augmente le taux de génération de chlore tout en conservant la résistance à la corrosion.

Ce changement de composition élimine les ruptures brutales des propriétés des matériaux qui se produisent dans les revêtements-monocouches. Au lieu de se concentrer sur une frontière faible, les contraintes se répartissent sur plusieurs zones d’interface. Les chercheurs des programmes d'électrochimie industrielle ont découvert que les structures à gradient réduisent le niveau de contrainte interfaciale le plus élevé de 40 à 60 pour cent par rapport aux revêtements uniformes ordinaires.

La structure de gradient multi-couche agit comme un coussin contre les contraintes mécaniques. Chaque couche est fortement connectée à celles qui lui sont adjacentes grâce à des méthodes de traitement thermique améliorées qui aident les atomes à se déplacer sur les bords. Lorsque les contraintes opérationnelles s'accumulent, la conception en gradient permet une déformation contrôlée sur plusieurs couches au lieu d'une défaillance complète d'un seul maillon.

Cette façon de concevoir la conception vient des revêtements de barrière thermique aérospatiale et des surfaces des implants biomédicaux, qui dépendent tous deux de l’intégrité de l’interface pour déterminer la durée de fonctionnement du dispositif. L’approche par gradient transforme un système faible qui se sépare facilement en une structure solide capable de gérer les changements de température, les vibrations et les contraintes électriques.

Les méthodes avancées de nettoyage des substrats rendent les surfaces microscopiquement rugueuses et de forme contrôlée. Les méthodes de gravure chimique éliminent les films d'oxydes inactifs et créent des sites réactifs à la surface. Lorsque le verrouillage mécanique et la liaison chimique fonctionnent ensemble, ils produisent des forces de liaison supérieures à 25 MPa, ce qui est suffisamment solide pour résister aux conditions de travail électrolytiques.

Le frittage à haute-température forme un lien chimique entre la couche la plus profonde du revêtement dégradé et ce substrat prêt. Ce lien métallurgique est très différent de l’adhésion mécanique plus faible de la plupart des couches. Il constitue la base d'une résistance à long terme au délaminage.

L'ingénierie des interfaces s'intéresse à la zone très importante où se rencontrent le substrat en titane et le revêtement catalytique. Cette petite zone contrôle si une électrode dure aussi longtemps qu'elle est censée le faire ou si elle se brise prématurément parce qu'elle se délamine.

De multiples techniques sont utilisées par la technologie d’interaction moderne pour renforcer ce point faible. Les méthodes de modification de surface modifient les couches atomiques les plus élevées du matériau pour le rendre mieux compatible avec le revêtement. Des couches de liaisons intermédiaires établissent des liens de composition entre des matériaux qui ne sont pas identiques. Le réglage des paramètres de processus garantit qu'il n'y a aucun problème avec le contact interfacial complet.

Selon une étude publiée dans des revues électrochimiques, il suffit de changer le contact pour ajouter deux à trois ans à la durée de vie utile d'untige d'anode en titanedans des endroits avec beaucoup de chlorure. Ces améliorations proviennent de la suppression des endroits où commence le délaminage, ce qui conduit généralement à une défaillance trop précoce des fils.

Le coût total de possession des appareils de nettoyage électrolytique est directement lié à leur durée de vie. La capacité d'un revêtement dégradé à améliorer les performances des tiges d'anode en titane et à prévenir le délaminage entraîne des avantages opérationnels et financiers mesurables.

Dans les applications de traitement des eaux usées municipales, les revêtements uniformes standards durent généralement entre 3 et 5 ans avant de devoir être remplacés car ils commencent à se décoller. Les électrodes composites à gradient durent généralement plus de 8 à 10 ans lorsqu'elles sont utilisées de la même manière. Cette différence de performance vient de la résistance naturelle de la structure du gradient aux processus de contrainte qui provoquent une défaillance trop précoce des revêtements.

Une durée de vie opérationnelle plus longue réduit les remplacements et les coûts de main-d'œuvre qui les accompagnent. Il devient plus facile de planifier les ressources lorsque les dates de maintenance sont plus fiables. Les gestionnaires de système évitent les problèmes de production qui surviennent lorsque les électrodes tombent en panne sans avertissement entre les périodes de réparation.

Dans les environnements industriels, les électrodes doivent être fiables même dans des conditions difficiles. Les usines de traitement de l’eau potable ne peuvent pas gérer les problèmes liés au système de désinfection. Pour répondre aux normes de santé publique, les piscines doivent produire du chlore en permanence. Une protection antifouling doit toujours être présente dans les systèmes d’eau en circulation industriels.

La technologie de collage de revêtements répond à ces besoins de fiabilité en utilisant des idées scientifiques sur les matériaux et en contrôlant le processus de fabrication. La résistance au délaminage de la tige d'anode en titane finie est affectée par chaque étape, depuis le choix du substrat en titane jusqu'à l'application du revêtement final. La base est constituée de plaques de titane de haute-pureté. Le titane de grade 1 ou de grade 2 est le meilleur pour résister à la corrosion et travailler avec des revêtements. Selon la forme de l'électrode et les besoins techniques, l'épaisseur du substrat est généralement comprise entre 1 et 3 mm. Le cycle thermique fonctionne mieux sur les surfaces plus épaisses car elles conservent mieux leur forme.

Le contrôle des réglages de grain pendant le sablage rend la surface rugueuse sur toute la longueur. Après cela, la couche supérieure-écrouie est éliminée par gravure chimique, laissant derrière elle du titane réactif frais. Ce processus en deux -étapes crée une surface de base sur laquelle les revêtements peuvent adhérer parfaitement. Pour les applications de revêtement, des méthodes de décomposition thermique sont utilisées avec des mélanges de précurseurs soigneusement contrôlés. Couche par couche, la structure du dégradé est réalisée par plusieurs procédés de peinture. Entre 400 et 500 degrés, de la chaleur est appliquée à chaque couche pour décomposer les précurseurs en oxydes métalliques mélangés et aider les couches à coller ensemble. Le changement lent de la composition se produit parce que les ratios de précurseurs sont modifiés de manière planifiée entre les cycles de revêtement. À plusieurs étapes de la production, des contrôles de qualité garantissent que la couche est toujours intacte. Les tests d'adhérence mesurent la force d'une liaison. L'activité catalytique est confirmée par caractérisation électrochimique. Avant que les électrodes ne soient utilisées, elles sont soumises à des tests de durée de vie accélérés dans des conditions difficiles pour déterminer leur probabilité de délaminage.