1. Introduzione
Quando parliamo di metalli “ruggine,"La maggior parte immagina i fiocchi rossastri dell'ossido di ferro che si sfaldano dalle superfici in acciaio.
Tuttavia, ruggine si riferisce specificamente alla corrosione del ferro e delle sue leghe. Al contrario, corrosione comprende un insieme più ampio di reazioni chimiche ed elettrochimiche che degradano praticamente qualsiasi metallo.
Comprendere il comportamento di corrosione del titanio si rivela vitale nei settori che vanno aerospaziale (Fissante per la cellula) E Impianti medici (Sostituzioni dell'anca) A marino (Scambiatori di calore della nave) E Elaborazione chimica (interni reattori).
In questi ambienti esigenti, Il titanio supera spesso le alternative, Ma Il titanio "ruggine"?
Questo articolo esplora i meccanismi di corrosione del titanio, confronta le sue prestazioni con altre leghe, e chiarisce le idee sbagliate comuni.
2. Fondamenti di corrosione e "ruggine"
Prima di esaminare il comportamento del titanio, Aiuta a chiarire cosa intendiamo corrosione contro ruggine.
La corrosione comprende qualsiasi reazione chimica o elettrochimica che degrada un metallo,
mentre la ruggine si riferisce specificamente al rosso -marrone ossido di ferro (Fe₂o₃ · nho) Ciò si forma quando il ferro o l'acciaio reagiscono con acqua e ossigeno.
Distinzione tra ruggine e altri ossidi
- Ruggine (Ossido di ferro): Forma porosa, strati traballante che si sfaldano, Esporre un metallo fresco per attaccare ulteriormente.
I tassi di corrosione tipici per l'acciaio non protetto in ambienti costieri superano 0.1 mm/anno. - Ossidi non di ferro: Metalli come l'alluminio, cromo, e lo sviluppo del titanio denso, aderente Film di ossido (PER ESEMPIO., Al₂o₃, Cr₂o₃, Tio₂).
Questi film rallentano efficacemente l'ulteriore corrosione delle tariffe spesso al di sotto 0.01 mm/anno.
Meccanismi di corrosione comuni
La corrosione non procede uniformemente. In pratica, Gli ingegneri riconoscono diversi meccanismi distinti:
- Corrosione uniforme:
-
- Si verifica uniformemente attraverso la superficie.
- Prevedibile, con perdita di spessore di 0.01–0,1 mm/anno in ambienti lievi.
- Mettono la corrosione:
-
- Cavità o "pozzi" altamente localizzati.
- Spinto da anioni aggressivi (PER ESEMPIO., Cl⁻); Anche ppm I livelli di cloruri possono innescare l'inizio della fossa su acciai inossidabile.
- Corrosione della fessura:
-
- Si svolge in lacune schermate in cui la soluzione stagnante concentra le specie corrosive.
- Spesso 10–100 × più veloce della corrosione uniforme all'interno delle fessure.
- Corrosione galvanica:
-
- Sorge quando due metalli dissimili contattano in un elettrolita.
- Il metallo meno nobile (anodo) corrode preferibilmente; Le densità attuali possono raggiungere 1000 μA/cm² Agli incroci.
- Cracking della corrosione da stress (SCC):
-
- Combina lo stress di trazione e il mezzo corrosivo per produrre un fragile insufficienza.
- Comune in acciai inossidabile in ambienti di cloruro, Propagare ai tassi di 0.1–1 mm/anno sotto carico sostenuto.
3. Lo strato di ossido unico di Titanio
Il titanio si distingue formando un protettivo spontaneamente biossido di titanio (Tio₂) film, in genere 2–10 nm spesso.
Questo strato passivo aderisce fortemente al substrato, bloccare l'ulteriore ossidazione. Inoltre, Tio₂ auto -erte in pochi secondi se graffiati, a condizione che l'ossigeno resti disponibili.
Termodinamicamente, Tio₂ rimane stabile da –200 ° C. fino a 600 ° C., Concedere la resistenza eccezionale in titanio nella maggior parte delle temperature di servizio.
La lega affina ulteriormente questa protezione.
Per esempio, Ti-6al-4v (Il cavallo di battaglia aerospaziale) contiene 6% alluminio e 4% vanadio; Questi elementi rafforzano il film di ossido, Migliorare la resistenza alla cornicione di 20% Rispetto al titanio commercialmente puro.
Allo stesso modo, Ti-6al-2Sn-4zr-2mo gode di una migliore resistenza al creep in ambienti ad alta temperatura senza compromettere la resistenza alla corrosione.
4. Resistenza alla corrosione in diversi ambienti
Ambienti acquosi
- Soluzioni acide e di base (PH 1–14): Il titanio resiste a pH estremi, mostrando i tassi di corrosione di seguito 0.01 mm/anno In molti acidi e alcali dove gli acciai inossidabili soffrono di tassi di 0.1–1,0 mm/anno.
- Media contenenti cloruro (Marino, Salamori): Anche dentro 3.5% Nacl, Il titanio non presenta alcuna corruzione a temperature ambientali, Mentre 316L in acciaio inossidabile inizia a mettere ~ 50 ° C..
Ossidazione ad alta temperatura
In aria a 500 ° C., Le leghe di titanio sviluppano una scala di ossido continuo <1 μm di spessore, mentre gli acciai di carbonio si ossidano alle scale >10 μm, spalling e accelerazione della corrosione.
Creve e corrosione galvanica
Il titanio resiste all'attacco della fessura nell'acqua di mare per centinaia di ore durante ASTM G48 Test, sovraperformare Duplex 2205 E Incontro 625, che mostrano la penetrazione della fessura all'interno 24 ore in condizioni identiche.
Se accoppiato galvanicamente in acciaio in soluzione salina, Il titanio agisce cattodicamente, proteggere l'acciaio piuttosto che corrosirsi.
Corrosione indotta da microbici (Microfono)
A differenza dell'acciaio, che può sostenere i biofilm di batteri che riducono i solfato (Srb) che accelerano la cornice: il titanio rimane inerte,
senza danni misurabili correlati al microfono dopo 12 mesi Immersione nell'acqua di mare ricca di nutrienti.
5. Il titanio ruggine?
Il titanio non "arrugginito" come il ferro perché forma rapidamente un stretto legame, biossido di titanio autorigenerante (Tio₂) Film passivo (2–10 nm di spessore) All'esposizione all'aria o all'acqua.
Questo strato di ossido isola efficacemente il metallo sottostante da agenti corrosivi,
producendo tassi di corrosione al di sotto 0.01 mm/anno nella maggior parte degli acidi, alcalino, cloruro, marino, e ambienti ad alta temperatura: prestazioni che superano acciai inossidabili e leghe di nichel.
Di conseguenza, Titanio e le sue leghe (PER ESEMPIO., Ti-6al-4v) Trova l'uso diffuso nell'aerospaziale, marino, Elaborazione chimica, e impianti biomedici.
O4-Mini
6. Prestazioni comparative
| Materiale | Tasso di corrosione<br>(mm/anno) | Temp di imbottimento critico<br>(° C.) | Costo tipico rispetto a TI |
|---|---|---|---|
| Titanio (Cp) | <0.01 | >150 | 1.0× |
| 316L in acciaio inossidabile | 0.1–0.3 | ~ 50 | 0.4× |
| Duplex 2205 | 0.02–0.05 | ~ 100 | 0.6× |
| Incontro 625 | 0.02–0.05 | ~ 120 | 1.5× |
| Ferro duttile | 0.5–1.5 | N / A | 0.2× |
7. Test e standard
L'industria si basa su test standardizzati per convalidare la resistenza alla corrosione:
- ASTM B117 (Spruzzo salino): Le leghe di titanio mostrano una corrosione zero dopo 1,000 ore, contro la ruggine leggera accesa 316L Dopo 200 ore.
- ASTM G48 (Punzione/fessura): Il titanio passa i test di tipo A e C senza penetrazione, Mentre gli acciai inossidabile falliscono entro ore.
- Metodi elettrochimici: Polarizzazione potenziodinamica e Eis rivelare la densità di corrente passiva del titanio <0.01 μA/cm², indicando un film di ossido estremamente stabile.
Le prestazioni del campo supportano i dati di laboratorio: Piattaforme offshore utilizzando il rapporto scambiatori di calore in titanio <1% fallimento del tubo 10 anni, rispetto a 30% per unità in acciaio.
8. Implicazioni e applicazioni pratiche
- Marino Hardware & Olio offshore & Gas: Morsetti di riser in titanio, valvole, e gli scambiatori di calore sopportano l'acqua di mare ad alta pressione per decenni con una manutenzione minima.
- Impianti biomedici: L'ossido di biocompatibile del titanio promuove l'osteointegrazione, con la durata della vita dell'impianto >20 anni e trascurabile degrado in vivo.
- Aerospaziale & Elaborazione chimica: Dai componenti del motore a reazione alle navi da reattore, Il titanio resiste all'ossidazione ad alta temperatura e all'attacco chimico aggressivo.
- Manutenzione & Ciclo vitale: Le ispezioni di routine si concentrano sull'integrità meccanica; Il monitoraggio della corrosione spesso conferma lo spessore invariato di Titanio sugli intervalli di servizio.
9. Idee sbagliate e domande frequenti
- "Il titanio non corrode mai." Mentre il titanio resiste alla maggior parte delle forme di corrosione, Può corrodere in condizioni estreme, come ambienti di fluoro ad alta temperatura.
- “Rust vs. ossidazione." Il titanio costituisce una stalla ossido (Tio₂), non ossido di ferro, e non si sfalda.
- "Graffi la protezione da compromesso." Piccoli graffi guariscono in pochi minuti in aria o acqua.
Tuttavia, I rivestimenti o un design attento possono prevenire un'esposizione prolungata nelle fessure avvolte all'ossigeno.
10. Conclusione
Titanio fa non ruggine nel senso del ferro -ossido; Invece, forma rapidamente a Film TIO₂ protettivo Quelle guardie contro l'uniforme, Accorciamento, e la corrosione della fessura attraverso un ampio spettro di ambienti.
Sebbene il suo costo iniziale supera quello di molte leghe, Il titanio è senza pari Resistenza alla corrosione, biocompatibilità,
E Proprietà meccaniche giustificare la sua selezione nelle applicazioni più impegnative, dalle condutture profonde a impianti medici che salutano la vita.
Man mano che la scienza materiale avanza, I trattamenti di superficie e le nuove formulazioni in lega promettono di espandere ulteriormente l'utilità del titanio, essendo il suo status di Metallo resistente alla corrosione finale.
