钛合金。耐腐蚀和冲蚀性

主题

耐腐蚀性能

氧化和非氧化环境

氧化保护膜的形成

耐腐蚀性概述

合金元素的影响

电化学腐蚀

缝隙腐蚀

裂缝大小和形状的影响

抗裂缝腐蚀合金

应力腐蚀

红色发烟硝酸环境

甲醇环境

氯化碳氢化合物气氛

热盐应力腐蚀开裂

点蚀

耐腐蚀性

耐腐蚀性能

钛的耐腐蚀性是有充分证据的。稳定的，本质上惰性的氧化膜提供了材料在广泛的腐蚀性介质中具有优异的耐腐蚀性能。当新鲜的钛暴露在大气或任何含氧的环境中，它立即获得一层坚韧的氧化膜。正是这种表面膜的存在赋予了材料优异的耐腐蚀性能。只要有足够的氧气存在，如果机械损伤，薄膜几乎可以立即自我修复和重新形成。

Oxi电镀和非氧化环境

由于钛的钝化性取决于氧化膜的存在，因此它在氧化溶液中明显比在非氧化介质中更抗腐蚀，因为非氧化介质的腐蚀率很高。因此，这种材料可以在温度达到沸点的所有强度的硝酸水溶液中使用。类似地，它不会被湿氯气和氯酸钠和次氯酸盐等氯化合物的溶液侵蚀。

没有证据表明无机金属氯化物水溶液中的凹陷或应力腐蚀。即使在高速条件下或污水中，钛也具有卓越的海水抗性。虽然该材料通常具有在培养基中具有显着的腐蚀速率，例如在与金属反应中产生氢的硫酸或盐酸，但酸中少量氧化剂的存在导致形成无源膜。因此，钛是耐受强硫酸和硝酸，盐酸和硝酸的混合物，甚至在含有游离氯的强盐酸中的混合物。在铜或铁离子溶液中的存在也降低了腐蚀速率，以及具有贵金属的合金化或使用阳极保护技术的腐蚀速率。

氧化保护膜的形成

当金属可以进入水时，通常形成钛上的保护氧化物薄膜，即使这可能仅存在痕量或蒸汽形式中。因此，如果在完全没有水中暴露于高氧化环境的钛，则可能发生快速氧化，并且剧烈，通常是发光的反应结果。在钛和干硝酸和钛和干氯之间的反应中发现了这种行为的实例。然而，在这些条件下防止攻击所需的水分的量很小，并且可以短至50ppm。

耐腐蚀性概述

表1总结了商业上纯钛对简单化学环境的耐腐蚀性。

表1。纯钛对简单化学试剂的抗性。

合金元素的影响

一般来说，为高强度和良好的抗蠕变性能而开发的钛合金的耐腐蚀性低于商业纯材料，但有一些合金添加剂可以改善腐蚀性能。与航空航天用的合金相比，开发用于耐腐蚀应用的钛合金只进行了有限的工作。其中最成功的方法之一是在商业纯材料中加入少量钯。这不仅提高了它对硫酸、盐酸和磷酸等还原性酸的抵抗力，而且还提高了在海水中发生缝隙腐蚀的临界温度。添加钯的这一原理现在被推广到一些高强度的合金中，以结合良好的抗腐蚀性能和拉伸性能。多年来开发的其他耐腐蚀合金包括Ti-0.8% ni -0.3% mo作为Ti/Pd合金的可能替代品，以及Ti-6% al -7% nb作为外科植入材料。

电化学腐蚀

在设计用于化工、石油工业或某些app亚博体育通用工程应用的设备时，必须考虑不同金属之间接触可能产生的有害电效应。如果两种金属在一种电解质中耦合在一起，那么这两种金属中较不高贵或阳极的部分通常会被腐蚀，腐蚀的程度取决于两种材料之间电极电位的差异以及相对阳极与阴极的面积比。亚博网站下载钛与大多数材料的不同之处在于，如果在腐蚀性溶液中与更贵亚博网站下载重的金属耦合，钛的电极电位往往会提高，腐蚀速率会降低而不是增加。

作为一个实际例子，考虑处理海水的管道系统的情况(见图1)。理想情况下，这些将完全由钛制造，但在不可能的情况下，电流接近钛兼容的合金，如Inconel 625，哈氏合金C, 254 SMO，可选用Xeron 100或复合材料与钛在接头处亚博网站下载直接接触。尽管一些高合金化不锈钢和镍基合金在其被动状态下的尊贵程度仅略低于钛，但一旦它们成为主动状态，局部腐蚀的速率可能非常大，导致快速失效。

在无法避免钛和不那么贵重的金属之间的电偶接触的情况下，有一些可能的技术来减少腐蚀的风险:

•涂层在接头附近的钛，以减小阳极表面积比的有效阴极;

•阴极保护的应用;

•采用不导电垫片和套管螺栓对钛进行电气绝缘;

•安装短而易更换的法兰牺牲较重的墙体部分较少的贵金属;

•化学剂量。

缝隙腐蚀

大多数金属在它们与其他金属或非金属之间形成的缝隙中受到越来越多的腐蚀。这种优先腐蚀的原因是，由于受溶液循环的限制，在缝隙内存在差浓度效应或差曝气。这可能会导致缝隙内金属和缝隙外金属之间的电极电位差异，在缝隙外，溶液可以自由循环。然后在这两个区域之间就可以建立起原电反应。

钛特别抵抗这种攻击形式，并且仅在某些特定的情况下受到它。例如，在涉及湿氯的应用中报道了腐蚀，但在实验室中重现它的尝试已经很大程度上是不成功的。这种攻击归因于湿氯的缓慢脱水可能发生在裂缝中，其中金属面积大的金属体积大。传热条件下的裂缝腐蚀在氯化钠溶液中可以在低至70℃的温度下，但溶液的pH是重要的。这在图2中示出。

裂缝大小和形状的影响

对于钛，裂缝的形状和大小似乎对腐蚀行为有关键的影响。当两个表面靠近时，它们要么没有被腐蚀物浸湿，要么(如果它们最初是浸湿的)，在氧化钛膜被破坏之前，溶液的流动受到限制，腐蚀被抑制。当表面离得太远时，氧气的扩散速度很快，足以使材料钝化。

抗裂缝腐蚀合金

使用钛/钯合金几乎消除了海水中缝隙腐蚀的风险。这在图3中示出。

应力腐蚀

尽管钛及其合金在许多介质中都能抗腐蚀，包括氯化物水溶液，但商业纯钛和钛合金的应力腐蚀可以发生在有限数量的高度特定的环境中。

红色发烟硝酸环境

钛的应力腐蚀开裂首次报道是在红色发烟硝酸中。在这里，开裂主要是沿晶的，但这种现象只发生在无水条件下，只有1.5 - 2%的水的存在完全抑制了反应。在这种环境下，所有的钛合金都容易受到应力腐蚀，但对于某些钛合金来说，过量的二氧化氮是必要的，而另一些钛合金在没有二氧化氮的情况下会开裂。

甲醇环境

唯一的其他环境，已证明造成应力腐蚀的商业纯钛和钛合金是甲醇。同样失败的是晶间开裂，如果溴、氯或碘离子存在于酒精中，这种机制更有可能发生。此外，少量的水的存在将完全防止腐蚀，4%给予免疫所有等级和所有合金。

氯化碳氢化合物气氛

虽然商业纯钛不受影响，但某些钛合金在氯化烃中会发生应力腐蚀。例如，众所周知，在某些金属存在的高温下长时间暴露，三氯乙烯的蒸汽可以部分分解成盐酸。这导致某些钛合金的应力腐蚀，特别是那些含铝的钛合金，在脱脂这些材料时必须小心。亚博网站下载然而，即使使用这些合金，如果注意工作条件，操作也是完全安全的。应使用正确的含有防止分解添加剂的脱脂剂，钛与脱脂剂接触的时间不应过长。

热盐应力腐蚀开裂

尽管在实验室测试中已经证明，钛合金易受热盐应力腐蚀开裂的影响，但没有任何维修故障的报告，即使钛合金已经在高达600℃的航空航天应用中使用。当裂纹确实发生时，它可以是沿晶或穿晶的形式，所有商业可用的合金，除了商业纯等级，都在某种程度上容易受到影响。

点蚀

钛及其合金在海水和其他含氯化物溶液中，在环境温度和中等温度下具有极强的抗点蚀能力。然而，如果在平面应变条件下加载含有疲劳裂纹的钛合金试样，海水的存在会降低材料对裂纹扩展的阻力。钛合金对这种形式的开裂的敏感性似乎受到铝、锡和氧含量的不利影响，而某些β稳定剂(如铌和钽)的存在降低了腐蚀的风险。在含氧量低于0.32%时，商业纯品级不受影响。

耐腐蚀性

侵蚀是一种加速的攻击形式，通常与高水速度相关，并且局部湍流，其从成膜金属表面去除氧化物，从而将裸金属暴露于腐蚀。由于其能够快速修复其保护氧化物膜，钛具有极高的抗这种攻击性攻击性。例如，在纯海水中，流量速度高达18米的流量可以忽略不计^－1．它甚至可以抵抗海水中含砂和碳化硅砂的2米每秒的流动^－1．在这些条件下，侵蚀率相当于近8年只有1毫米的穿透。然而，值得注意的是，非常粗的碳化硅在较高的速度下，钛的侵蚀率高于铜镍等材料。亚博网站下载这是因为，在这些条件下，没有足够的时间来氧化膜的改革和下面的钛的硬度低于铜镍。然而，这些测试条件要比正常使用中遇到的条件严重得多，而且已经充分证明，在处理含砂量高的水的冷凝器和冷却器中，钛完全不受影响，而在相同条件下，铜镍合金可能在2到3年内失效。

在管被外来物质堵塞的情况下，冲击侵蚀导致铜基材料迅速失效，但对钛没有影响。亚博网站下载在实验室条件下以至少4m s的流速运行的实验热交换器中已经证实了这一点^－1．

资料来源:材料信亚博网站下载息服务-钛的选择和使用，设计指南

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