Коррозия титана и титановых сплавов

коррозия

Титановые сплавы были первоначально разработаны в начале 1950-х годов для аэрокосмических применений, в которых их высокое отношение прочности к плотности было особенно привлекательным. Хотя титановые сплавы по-прежнему жизненно важны для аэрокосмической промышленности, поскольку эти свойства признают превосходную стойкость титана ко многим коррозионно-агрессивным средам, особенно к окисляющим и хлоридсодержащим технологическим потокам, что привело к широкому применению в неаэрокосмических (промышленных) областях.

Из-за снижения стоимости и увеличения доступности изделий из титановых сплавов многие титановые сплавы стали стандартными конструкционными материалами для широкого круга промышленных применений. Фактически, растущая тенденция включает использование высокопрочных аэрокосмических титановых сплавов для промышленного применения, в которых сочетание прочности, плотности и коррозионной стойкости является критическим и желательным.

Превосходная коррозионная стойкость титановых сплавов является результатом образования очень стабильных, непрерывных, высокоадгезивных и защитных оксидных пленок на металлических поверхностях. Поскольку металлический титан обладает высокой реакционной способностью и чрезвычайно высоким сродством к кислороду, эти полезные поверхностные оксидные пленки образуются спонтанно и мгновенно, когда поверхности свежих металлов подвергаются воздействию воздуха и/или влаги. Фактически, поврежденная оксидная пленка, как правило, может самовосстанавливаться мгновенно, если в окружающей среде присутствуют, по меньшей мере, следы кислорода или воды. Однако безводные условия в отсутствие источника кислорода могут привести к коррозии титана, поскольку защитная пленка не может быть регенерирована в случае повреждения.

Характер, состав и толщина защитных поверхностных оксидов, которые образуются на титановых сплавах, зависят от условий окружающей среды. В большинстве водных сред оксидом обычно является TiO 2, но он может состоять из смесей других оксидов титана, включая TiO 2, Ti 2 O 3 и TiO. Высокотемпературное окисление способствует образованию химически стойкой высококристаллической формы TiO, известной как рутил, тогда как при более низких температурах часто образуется более аморфная форма TiO, анатаза или смеси рутила и анатаза.

Хотя эти естественно сформированные пленки обычно имеют толщину менее 10 нм и являются невидимыми для глаза, TiO; оксид обладает высокой химической стойкостью и подвергается воздействию очень небольшого количества веществ, включая горячую концентрированную HCl, H 2 SO 4 , NaOH и (в особенности) HF. Этот тонкий поверхностный оксид также является высокоэффективным барьером для водорода.

Способы расширения коррозионной стойкости титана в восстановительных средах включают в себя:

  1. Увеличение толщины поверхностной оксидной пленки путем анодирования или термического окисления;
  2. Анодная поляризация сплава (анодная защита) посредством анодированного тока или гальванической связи с более благородным металлом для сохранения поверхностной оксидной пленки;
  3. Нанесение поверхностных покрытий из драгоценных металлов (или некоторых оксидов металлов);
  4. Легирование титана определенными элементами;
  5. Добавление окислителей (ингибиторов) в восстановительную среду для стабилизации оксидной пленки;

Титановые сплавы, как и другие металлы, подвержены коррозии в определенных условиях. Первичные формы коррозии, которые наблюдались на этих сплавах, включают общую коррозию, щелевую коррозию, анодную точечную коррозию, повреждение водородом и SCC.

При любом предполагаемом применении титана следует учитывать его подверженность деградации в результате любой из этих форм коррозии. Чтобы понять преимущества и ограничения титановых сплавов, будет объяснена каждая из этих форм коррозии.

Общая коррозия

Характеризуется относительно равномерным воздействием на открытую поверхность металла. Иногда общая коррозия в водных средах может принимать форму пятнистых, сильно шероховатых металлических поверхностей, которые напоминают локальное воздействие. Это часто происходит из-за изменений в скоростях коррозии локальных пятен на поверхности из-за локального маскирования металлических поверхностей под действием технологических отложений, продуктов коррозии или пузырьков газа; такая локализованная маскировка может предотвратить настоящую равномерную атаку поверхности.

Титановые сплавы могут подвергаться локальному воздействию в труднодоступных местах, подверженных воздействию горячих (> 70 o C) хлоридов, бромидов, йодидов, фторидов или сульфатсодержащих растворов. Щели могут возникать из-за налипания отложений или отложений технологического потока, соединений металл-металл (например, плохая конструкция сварного соединения или соединения труб), а также фланцевых соединений прокладка-металл и других уплотняющих соединений.

Питтинг

Определяется как локальная коррозионная атака, происходящая на открытых металлических поверхностях в отсутствие каких-либо видимых трещин. Эта точечная коррозия возникает, когда потенциал металла превышает потенциал анодного разрушения пленки оксида металла в данной среде. Когда потенциал анодного разрушения металла равен или меньше потенциала коррозии при заданном наборе условий, можно ожидать спонтанную точечную коррозию.

Титановые сплавы широко используются в водородсодержащих средах и в условиях, в которых гальванические пары или катодный заряд вызывают выделение водорода на металлических поверхностях. Хотя для этих сплавов в большинстве случаев обнаруживаются отличные характеристики, наблюдается водородное охрупчивание.

Поверхностная оксидная пленка титана является высокоэффективным барьером для проникновения водорода. Следы влаги или кислорода в водородсодержащих средах очень эффективно поддерживают эту защитную пленку, таким образом избегая или ограничивая поглощение водорода. С другой стороны, атмосфера безводного газообразного водорода может привести к абсорбции, особенно при повышении температуры и давления.

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC)

Представляет собой явление разрушения или растрескивания, вызванное комбинированным действием растягивающего напряжения, восприимчивого сплава и агрессивной среды. Металл обычно не обнаруживает признаков общей коррозии, хотя может быть видна небольшая локальная атака в виде точечной коррозии. Обычно, только определенные комбинации металлургических и экологических условий вызывают SCC. Это важно, потому что часто можно устранить или уменьшить чувствительность SCC, изменяя либо металлургические характеристики металла, либо состав окружающей среды.

Другой важной характеристикой SCC является требование наличия напряжения растяжения. Эти напряжения могут быть вызваны холодной работой, остаточными напряжениями от изготовления или внешними нагрузками.

Ключом к пониманию SCC титановых сплавов является наблюдение, что никакой видимой коррозии, равномерной или локализованной, обычно не предшествует процессу крекинга. В результате иногда бывает трудно инициировать растрескивание в лабораторных испытаниях с использованием традиционных методов испытаний.

Также важно различать два класса титановых сплавов. Первый класс, который включает классы ASTM 1, 2, 7, 11 и 12, невосприимчив к SCC, за исключением нескольких специфических сред. Эти специфические среды включают безводные растворы метанол / галогенид, тетроксид азота (N 2 O 4 ) и жидкий или твердый кадмий. Было обнаружено, что второй класс титановых сплавов, включая аэрокосмические титановые сплавы, восприимчив к нескольким дополнительным средам, особенно к водным растворам хлоридов.

Соединение титана с разнородными металлами обычно не ускоряет коррозию титана. Исключение составляют сильно восстановительные среды, в которых титан сильно разъедает и не пассивируется. В этой необычной ситуации может возникнуть ускоренная коррозия, когда титан связан с более благородными металлами. В своем обычном пассивном состоянии материалы, обладающие более благородным потенциалом коррозии, благотворно влияют на титан.

Общая коррозионная стойкость титана

стойкость титана к коррозии

Общая стойкость титана к коррозии может быть улучшена или расширена с помощью одной или комбинации следующих стратегий:

  • Легирование;
  • Ингибитор добавок в окружающую среду;
  • Обработка поверхности из драгоценных металлов;
  • Термическое окисление;
  • Анодная защита.

Легирование

Возможно, наиболее эффективным и предпочтительным средством повышения устойчивости к общей коррозии в восстановительных средах было легирование титана определенными элементами. Полезные легирующие элементы включают благородные металлы (> 0,05 мас.% Pd), никель (> = 0,5 мас.%) И / или молибден (> = 4 мас.%). Относительно небольшие концентрации некоторых драгоценных металлов (порядка 0,1 мас.%) достаточны для значительного увеличения коррозионной стойкости титана в восстановительных кислотных средах.

Эти полезные легирующие добавки были включены в несколько коммерчески доступных титановых сплавов, включая титан-палладиевые сплавы (7 и 11 классы), Ti-0,3Mo-0,8Ni (класс 12), Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo. Ti-15Mo-5Zr и Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo. Все эти сплавы предлагают расширенное применение для получения более горячей  и/или более сильной HCl, H 2 SO 4, H 3 PO 4 и других восстанавливающих кислот по сравнению с нелегированным титаном. Сплавы с высоким содержанием молибдена предлагают уникальное сочетание высокой прочности, низкой плотности и превосходной коррозионной стойкости.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Всё о металлах
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: