1. مقدمه
وقتی از فلزات "زنگ زدگی" صحبت می کنیم,"بیشتر تصور می کند پوسته های مایل به قرمز اکسید آهن از سطوح فولادی.
هر چند, زنگ زدن به طور خاص به خوردگی آهن و آلیاژهای آن اشاره دارد. در مقابل, خوردگی مجموعه گسترده تری از واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی را شامل می شود که تقریباً هر فلز را تخریب می کند.
درک رفتار خوردگی تیتانیوم در بخش هایی از این بخش بسیار مهم است هوا و فضا (اتصال دهنده های قاب هوا) وت کاشت پزشکی (تعویض لگن) به دریایی (مبدلهای حرارتی کشتی) وت پردازش شیمیایی (راکتور داخلی).
در این محیط های خواستار, تیتانیوم اغلب از گزینه های دیگر بهتر است, اما آیا تیتانیوم "زنگ زدگی" است?
این مقاله به بررسی مکانیسم های خوردگی تیتانیوم می پردازد, عملکرد خود را در برابر سایر آلیاژها مقایسه می کند, و تصورات غلط رایج را روشن می کند.
2. اصول خوردگی و "زنگ زدگی"
قبل از بررسی رفتار تیتانیوم, این به روشن کردن منظور ما کمک می کند خوردگی در مقابل زنگ زدن.
خوردگی شامل هرگونه واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی است که یک فلز را تخریب می کند,
در حالی که زنگ زدگی به طور خاص به طوفان قرمز اشاره دارد اکسید آهن (fe₂o₃ · nho) که وقتی آهن یا فولاد با آب و اکسیژن واکنش نشان می دهد شکل می گیرد.
تمایز بین زنگ زدگی و سایر اکسیدها
- زنگ زدن (اکسید آهن): متخلخل را شکل می دهد, لایه های پوسته پوسته که پوسته پوسته می شوند, قرار گرفتن در معرض فلز تازه برای حمله بیشتر.
میزان خوردگی معمولی برای فولاد محافظت نشده در محیط های ساحلی بیش از 0.1 MM/YR. - اکسیدهای غیر آهنی: فلزاتی مانند آلومینیوم, کروم, و تیتانیوم توسعه می یابد متراکم, فحش فیلم اکسید (به عنوان مثال, الحس, cr₂o₃, اری).
این فیلم ها به طور موثری خوردگی بیشتر را به نرخ های زیر در زیر کند می کنند 0.01 MM/YR.
مکانیسم های خوردگی مشترک
خوردگی به طور یکنواخت ادامه نمی یابد. در عمل, مهندسان چندین مکانیسم مجزا را تشخیص می دهند:
- خوردی یکنواخت:
-
- به طور مساوی در سطح سطح رخ می دهد.
- قابل پیش بینی, با ضخامت ضخامت 0.01-0.1 میلی متر در سال در محیط های ملایم.
- خوردگی:
-
- حفره های بسیار بومی شده یا "چاله ها".
- رانده شده توسط آنیونهای تهاجمی (به عنوان مثال, کلوچه); یکبار PPM سطح کلریدها می توانند شروع گودال را در فولادهای ضد زنگ ایجاد کنند.
- خوردگی:
-
- در شکاف های محافظ در جایی که محلول راکد گونه های خورنده را متمرکز می کند صورت می گیرد.
- اغلب 10-100 × سریعتر از خوردگی یکنواخت در شکاف ها.
- خوردگی گالوانیک:
-
- هنگامی که دو فلز متفاوت در یک الکترولیت تماس می گیرند بوجود می آید.
- فلز کمتر نوبل (آنه) ترجیح می دهد; تراکم فعلی می تواند برسد 1000 μA/cm² در اتصالات.
- ترک خوردگی (SCC):
-
- استرس کششی و محیط خورنده را برای ایجاد نارسایی شکننده ترکیب می کند.
- رایج در فولادهای ضد زنگ در محیط های کلرید, انتشار در نرخ 0.1-1 میلی متر در سال تحت بار پایدار.
3. لایه اکسید منحصر به فرد تیتانیوم
تیتانیوم با تشکیل یک محافظ خودجوش ، خود را متمایز می کند دی اکسید تیتانیوم (اری) فیلم, به طور معمول 2-10 نانومتر غلیظ.
این لایه منفعل به شدت به بستر پایبند است, مسدود کردن اکسیداسیون بیشتر. علاوه بر این, اگر خراشیده شود ، در عرض چند ثانیه در عرض چند ثانیه, اکسیژن ارائه شده در دسترس است.
از نظر ترمودینامیکی, Tio₂ از پایدار است -200 درجه سانتیگراد تا 600 درجه سانتیگراد, اعطای مقاومت برجسته تیتانیوم در بیشتر دمای خدمات.
آلیاژ بیشتر این محافظت را اصلاح می کند.
به عنوان مثال, TI-6AL-4V (اسب بخار هوافضا) حاوی 6% آلومینیوم و 4% ودیوم; این عناصر فیلم اکسید را تقویت می کنند, تقویت مقاومت گودال توسط 20% در مقایسه با تیتانیوم خالص تجاری.
به همین ترتیب, TI-6AL-2SN-4ZR-2MO از مقاومت در برابر خزش در محیط های دما بالا و بدون مقاومت در برابر خوردگی لذت می برد.
4. مقاومت در برابر خوردگی در محیط های مختلف
محیط های آبی
- راه حل های اسیدی و اساسی (pH 1-14): تیتانیوم در برابر pH افراط مقاومت می کند, نشان دادن نرخ خوردگی در زیر 0.01 MM/YR در بسیاری از اسیدها و قلیایی که فولادهای ضد زنگ در آن دچار نرخ می شوند 0.1-1.0 میلی متر در سال.
- کلرید - حاوی رسانه (دریایی, برین): حتی در 3.5% توری, تیتانیوم در دمای محیط هیچ گونه گودبرداری ندارد, در حالی که 316L فولاد ضد زنگ شروع به گودال در 50 درجه سانتیگراد.
اکسیداسیون دما بالا
در هوا در 500 درجه سانتیگراد, آلیاژهای تیتانیوم یک مقیاس اکسید مداوم ایجاد می کنند <1 ضخامت μm, در حالی که فولادهای کربن به مقیاس اکسیده می شوند >10 μM, خوردگی و شتاب خوردگی.
خوردگی و خوردگی گالوانیک
تیتانیوم در طول صدها ساعت در حمله Crevice در آب دریا مقاومت می کند ASTM G48 تست, فراتر دوتایی 2205 وت ناله 625, که نفوذ شکاف را در درون نشان می دهد 24 ساعت تحت شرایط یکسان.
هنگامی که به صورت گالوانیایی به فولاد در نمک همراه است, تیتانیوم به صورت کاتدی عمل می کند, محافظت از فولاد به جای اینکه خود را خوردگی کند.
خوردگی ناشی از میکروبی (میکروفن)
برخلاف فولاد - که می تواند بیوفیلم های باکتری های کاهش دهنده سولفات را حفظ کند (SRB) این شتاب را تسریع می کند - تیتانیوم بی اثر باقی می ماند,
بدون آسیب مربوط به میکروس قابل اندازه گیری پس از 12 ماه غوطه وری در آب دریا غنی از مواد مغذی.
5. آیا تیتانیوم زنگ زد?
تیتانیوم مانند آهن "زنگ زدگی" نمی کند زیرا به سرعت پیوند محکم تشکیل می دهد, دی اکسید تیتانیوم خود درمانی (اری) فیلم منفعل (2ضخامت 10 نانومتر) پس از قرار گرفتن در معرض هوا یا آب.
این لایه اکسید به طور موثری فلز زیرین را از عوامل خورنده جدا می کند,
بازده نرخ خوردگی در زیر 0.01 میلی متر در سال در بیشتر اسیدی, قلیایی, کلرید, دریایی, و محیط های درجه حرارت بالا-عملکردی که از فولادهای ضد زنگ و آلیاژهای نیکل پیشی می گیرد.
در نتیجه, تیتانیوم و آلیاژهای آن (به عنوان مثال, TI-6AL-4V) استفاده گسترده در هوافضا پیدا کنید, دریایی, پردازش شیمیایی, و ایمپلنت های زیست پزشکی.
O4-Mini
6. عملکرد تطبیق یافته
| مادی | میزان خوردگی<بید>(MM/YR) | دمای حیاتی گودال<بید>(درجه سانتیگراد) | هزینه معمولی نسبت به Ti |
|---|---|---|---|
| تیتانیوم (CP) | <0.01 | >150 | 1.0× |
| 316L فولاد ضد زنگ | 0.1–0.3 | 50 پوند | 0.4× |
| دوتایی 2205 | 0.02–0.05 | 100 پوند | 0.6× |
| ناله 625 | 0.02–0.05 | 120 پوند | 1.5× |
| آهن | 0.5–1.5 | n/a | 0.2× |
7. آزمایش و استانداردها
صنعت برای تأیید مقاومت در برابر خوردگی به آزمون های استاندارد متکی است:
- ASTM B117 (اسپری نمکی): آلیاژهای تیتانیوم پس از خوردگی صفر را نشان می دهند 1,000 ساعت, در مقابل زنگ زدگی روشن 316سعادت پس از 200 ساعت.
- ASTM G48 (گودال/شکاف): تیتانیوم از تست های نوع A و C بدون نفوذ عبور می کند, در حالی که فولادهای ضد زنگ طی چند ساعت شکست می خورند.
- روشهای الکتروشیمیایی: قطبش پتانسیلودینامیکی و ایس چگالی جریان منفعل تیتانیوم را فاش کنید <0.01 μA/cm², نشانگر یک فیلم اکسید بسیار پایدار.
عملکرد میدانی از داده های آزمایشگاهی پشتیبانی می کند: سیستم عامل های خارج از کشور با استفاده از گزارش مبدل های حرارتی تیتانیوم <1% خرابی لوله بیش از 10 سال, در مقایسه با 30% برای واحدهای فولادی.
8. پیامدها و برنامه های کاربردی
- دریایی سخت افزار & روغن دریایی & گاز: گیره های تیتانیوم, دریچه, و مبدل های حرارتی آب دریا با فشار زیاد را برای ده ها سال با حداقل نگهداری تحمل می کنند.
- ایمپلنت های زیست پزشکی: اکسید سازگار با زیست سازگار تیتانیوم Osseointegration, با طول عمر کاشت >20 سال و ناچیز در تخریب vivo.
- هوافضا & پردازش شیمیایی: از اجزای موتور جت گرفته تا کشتی های راکتور, تیتانیوم در برابر اکسیداسیون دمای بالا و حمله شیمیایی تهاجمی مقاومت می کند.
- نگهدار & چرخه عمر: بازرسی های روزمره بر یکپارچگی مکانیکی متمرکز است; نظارت بر خوردگی اغلب ضخامت بدون تغییر تیتانیوم را در فواصل سرویس تأیید می کند.
9. تصورات غلط و سؤالات متداول
- "تیتانیوم هرگز خراب نمی شود." در حالی که تیتانیوم در بیشتر اشکال خوردگی مقاومت می کند, این می تواند در شرایط شدید - مانند محیط های فلورین دما بالا - فاسد شود.
- "Rust vs. اکسیداسیون. " تیتانیوم پایدار است اکسید (اری), اکسید آهن نیست, و پوسته پوسته نمی شود.
- "Scratches محافظت از سازش." خراش های جزئی در عرض چند دقیقه در هوا یا آب بهبود می یابد.
هر چند, روکش ها یا طراحی دقیق می تواند از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در شکافهای بارداری اکسیژن جلوگیری کند.
10. پایان
تیتانیوم از کار زنگ زدگی به معنای اکسید آهن; در عوض, این به سرعت تشکیل می شود فیلم محافظ Tio₂ که در برابر لباس نگهبان است, گودال, و خوردگی شکاف در طیف گسترده ای از محیط ها.
اگرچه هزینه اولیه آن از بسیاری از آلیاژها فراتر می رود, بی نظیر تیتانیوم مقاومت در برابر خوردگی, سازگاری,
وت خصوصیات مکانیکی انتخاب خود را در برنامه های کاربردی - از خطوط لوله عمق تا عمق تا زندگی - ذخیره ایمپلنت های پزشکی توجیه کنید.
با پیشرفت علم مادی, درمان های سطحی و فرمولاسیون های جدید آلیاژ نوید می دهد تا ابزارهای تیتانیوم را حتی بیشتر گسترش دهد - وضعیت آن به عنوان خوردگی نهایی - فلز مقاوم.
