鈦及鈦合金的腐蝕
2022-11-29 14:21:32
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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鈦材的耐腐蝕特點
鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護膜，即使因為某些原因膜遭破壞，也能迅速自動恢復(fù)。因此鈦在氧化性、中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性。由于鈦的巨大鈍化性能，在許多情況下與異種金屬接觸時，并不加快腐蝕，而可能加快異種金屬的腐蝕。如在低濃度非氧化性的酸中，若將Pb、Sn、Cu或蒙乃爾合金與鈦接觸形成電偶時，這些材料腐蝕加快，而鈦不受影響。而在鹽酸中，鈦與低碳鋼接觸時，由于鈦表面產(chǎn)生新生氫，破壞了鈦的氧化膜，不僅引起鈦的氫脆，而且加快鈦的腐蝕，這可能是由于鈦對氫有高度的活性所致。鈦中的含鐵量對某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能有影響，鐵增多的原因除原材料的原因外，常常是焊接時沾污的鐵滲入焊道，使焊道中局部含鐵量增高，這時腐蝕具有不均勻的性質(zhì)。使用鐵件支撐鈦設(shè)備時，鐵鈦接觸面上的鐵沾污幾乎是不可避免的在鐵沾污區(qū)腐蝕加速，特別是在有氫存在的情況下。當(dāng)沾污表面的鈦氧化膜發(fā)生機械損壞時，氫就滲入金屬，根據(jù)溫度、壓力等條件，氫發(fā)生相應(yīng)的擴散，這使鈦產(chǎn)生不同程度的氫脆。因此鈦在中等溫度和中等壓力和含氫系統(tǒng)中使用要避免表面鐵污染。鈦耐縫隙腐蝕性能較好，尤其是Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金，因此Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金廣泛用于容器設(shè)備的密封面材料，以解決設(shè)備密封面縫隙腐蝕問題。鈦試樣或工件表面發(fā)生均勻的腐蝕，形成一層厚度均勻的腐蝕產(chǎn)物，緊緊地依附于鈦表面，一般不會隨著時間的延長而向內(nèi)擴展，但也有例外的情況。在許多腐蝕介質(zhì)中，鈦的腐蝕性能與帶有保護層的其他金屬（比如鋁）的一樣好或更好。鈦的腐蝕通常是電解性質(zhì)，所以腐蝕與電極電位及電動電流之間有一定的關(guān)系。陽極與陰極極化作用也對腐蝕機理及速度有強烈的影響。鈦的電位在很大程度上取決于氧化膜的絕緣性能。因此，鈦表面氧化膜的特性對其抗蝕性起著決定性作用。凡是能改善氧化膜致密性、增加氧化膜厚度、提高氧化膜絕緣性能的因素，都有助于抗蝕性的提高。反之，凡是降低氧化膜有效保護能力的任何因素，不管是機械的，還是化學(xué)的，都會使鈦的抗蝕性急劇下降。鈦在大多數(shù)條件下的腐蝕都是局部性質(zhì)的，且某一點的腐蝕程度與另一點的有較大差別。縫隙腐蝕、孔穴腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等都是局部腐蝕。縫隙腐蝕多發(fā)生于突緣或折邊處以及堆積物附近縫隙間，縫隙過小或過大都不會發(fā)生。孔穴腐蝕是在開孔中發(fā)生的一種腐蝕，在有CI—、Br—、I—等離子存在時易發(fā)生這類腐蝕。應(yīng)力腐蝕開裂是工件或試樣在有拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下發(fā)生的一種腐蝕。試樣或工件在腐蝕性流動介質(zhì)中發(fā)生的腐蝕形態(tài)，因受流體的機械作用，腐蝕加快，因流體能帶走一部分或全部腐蝕產(chǎn)物，暴露新的表面，加快腐蝕。異種金屬接觸腐蝕又稱電偶腐蝕，在腐蝕環(huán)境中，放置2種不同電位的金屬或結(jié)構(gòu)件，在電短路的情況下，電位低的金屬就會產(chǎn)生腐蝕。在通常條件下，鈦及鈦合金中總含有H2，若從材料中提取H2，當(dāng)提取量超過固溶極限時，將形成脆的氫化物，產(chǎn)生氫脆。在大多數(shù)條件下，鈦及鈦合金的腐蝕是局部性質(zhì)的，同時，某一點的腐蝕程度與另一點的腐蝕程度有很大差異。因此，對腐蝕的定量評價只能根據(jù)大量的統(tǒng)計材料，而不能憑幾個試樣的結(jié)果。評價腐蝕的另一個嚴(yán)重問題是以什么作為標(biāo)準(zhǔn)，很少采用質(zhì)量損失，大都根據(jù)強度損失、表面外觀變化或穿孔來判斷腐蝕程度。一般來說，鈦及鈦合金的腐蝕進程緩慢。除非對所處條件完全不適應(yīng)。為了正確地評價鈦的使用性能，通常要進行幾十天甚至數(shù)年的試驗。鈦及鈦合金在許多場合中，一開始腐蝕較快，然后慢下來，最后往往只發(fā)生微弱的腐蝕。可是在一些場合下，鈦合金在經(jīng)過一段時間后會發(fā)生轉(zhuǎn)變，組織與性能會發(fā)生急劇變化。因此，短時間的使用試驗是不完全可靠的。快速使用試驗方法很多，但一般來說，試驗速度越快，結(jié)果的可靠性也越低。鈦屬于熱力學(xué)極不穩(wěn)定的金屬之一，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.63V，表面上總覆蓋著一層薄而致密的TiO2膜，因而鈦及鈦合金的穩(wěn)定電位偏向正值，例如，鈦在25℃海水中的穩(wěn)定電位約為0.09V。電極電位大都是從熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算的，而且由于數(shù)據(jù)來源不同，可能會出現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)，這是正常的。鈦及鈦合金的表面總有一層薄薄的在空氣中自然生成的氧化膜，其優(yōu)異的抗蝕性就源于其表面總存在一層穩(wěn)定的、附著性強的、保護性好的氧化膜。這層保護膜的抗蝕性可用P/B比值表示。P/B值大于1的才有保護性，否則，抗蝕性低，但也不可大于2.5，如大于此值，則氧化膜內(nèi)的壓應(yīng)力增大，容易引起氧化膜破裂，抗蝕性下降，最佳值為1~2.5。鈦在大氣或水溶液中會立即形成氧化膜，在室溫大氣中形成的膜厚為 1.2nm~1.6nm，并隨時間延長而增長，70天后增大到5nm，545天可增厚到 8nm～9nm。人為強化氧化條件，例如加熱，加氧化劑或陽極氧化等，可以加速氧化，增加膜厚，提高抗蝕性。鈦及鈦合金表面上的氧化膜一般不是一種單一結(jié)構(gòu)，其成分與結(jié)構(gòu)與生成條件相關(guān)。通常，在氧化膜與環(huán)境的界面上大都為TiO2，而在氧化膜與金屬界面上可能以TiO2為主，而中間為不同價態(tài)的過渡層，甚或是非化學(xué)當(dāng)量的氧化物，這表示鈦及鈦合金的表面氧化膜為復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。至于它們的形成過程，也不能簡單地理解為Ti與O2的直接反應(yīng)而成。一些研究學(xué)者提出過種種形成機理，俄羅斯學(xué)者認(rèn)為首先生成氫化物，然后于氫化物上形成純的氧化膜。
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