1. Pengenalan
Semasa kita bercakap tentang logam "berkarat,"Kebanyakan membayangkan serpihan kemerahan besi oksida dari permukaan keluli.
Namun begitu, karat secara khusus merujuk kepada kakisan besi dan aloi. Sebaliknya, kakisan merangkumi satu set reaksi kimia dan elektrokimia yang lebih luas yang merendahkan hampir mana -mana logam.
Memahami tingkah laku kakisan Titanium membuktikan penting dalam sektor dari mulai dari Aeroangkasa (pengikat kerangka pesawat udara) dan implan perubatan (penggantian pinggul) ke Marin (Penukar haba kapal) dan pemprosesan kimia (Reaktor dalaman).
Dalam persekitaran yang menuntut ini, Titanium sering mengatasi alternatif, tetapi Adakah titanium "karat"?
Artikel ini meneroka mekanisme kakisan Titanium, membandingkan prestasinya terhadap aloi lain, dan menjelaskan kesalahpahaman umum.
2. Asas kakisan dan "karat"
Sebelum memeriksa tingkah laku Titanium, ia membantu menjelaskan apa yang kita maksudkan kakisan berbanding karat.
Kakisan merangkumi sebarang tindak balas kimia atau elektrokimia yang merendahkan logam,
sedangkan karat secara khusus merujuk kepada coklat merah Besi oksida (Fe₂o₃ · nho) yang terbentuk apabila besi atau keluli bertindak balas dengan air dan oksigen.
Perbezaan antara karat dan oksida lain
- Karat (Besi oksida): Bentuk berliang, Lapisan Flaky yang menghancurkan, mendedahkan logam segar untuk menyerang selanjutnya.
Kadar kakisan biasa untuk keluli yang tidak dilindungi di persekitaran pantai melebihi 0.1 mm/yr. - Oksida bukan besi: Logam seperti aluminium, Chromium, dan titanium berkembang padat, pengikut Filem oksida (Mis., Al₂o₃, Cr₂o₃, TiO₂).
Filem -filem ini melambatkan kakisan lebih jauh kepada kadar yang sering di bawah 0.01 mm/yr.
Mekanisme kakisan biasa
Kakisan tidak diteruskan secara seragam. Dalam amalan, jurutera mengenali beberapa mekanisme yang berbeza:
- Kakisan seragam:
-
- Berlaku secara merata di permukaan.
- Boleh diramalkan, dengan kehilangan ketebalan 0.01-0.1 mm/tahun dalam persekitaran ringan.
- Pitting kakisan:
-
- Rongga yang sangat setempat atau "lubang."
- Didorong oleh anion yang agresif (Mis., Cl⁻); walaupun ppm Tahap klorida boleh mencetuskan permulaan pit pada keluli tahan karat.
- Crevice Corrosion:
-
- Berlaku di jurang yang dilindungi di mana penyelesaian stagnan menumpukan spesies yang menghakis.
- Selalunya 10-100 × lebih cepat daripada kakisan seragam dalam celah -celah.
- Kakisan galvanik:
-
- Timbul ketika dua logam yang berbeza dihubungi dalam elektrolit.
- Logam yang kurang menggembirakan (anod) Corrodes lebih suka; Ketumpatan semasa dapat dicapai 1000 μA/cm² pada persimpangan.
- Tekanan-karat retak (SCC):
-
- Menggabungkan tekanan tegangan dan medium yang menghakis untuk menghasilkan kegagalan rapuh.
- Biasa dalam keluli tahan karat dalam persekitaran klorida, menyebarkan pada kadar 0.1-1 mm/tahun di bawah beban yang berterusan.
3. Lapisan oksida unik Titanium
Titanium membezakan dirinya dengan membentuk pelindung secara spontan Titanium dioksida (TiO₂) Filem, biasanya 2-10 nm tebal.
Lapisan pasif ini berpegang teguh kepada substrat, menyekat pengoksidaan selanjutnya. Selain itu, TiO₂ Rendaman diri dalam beberapa saat jika tercalar, disediakan oksigen tetap ada.
Thermodynamically, TiO₂ tetap stabil dari -200 ° C. hingga 600 ° C., memberikan rintangan tertunggak titanium dalam kebanyakan suhu perkhidmatan.
Mengecilkan lagi Perlindungan ini.
Contohnya, Ti-6al-4v (kerja keras aeroangkasa) mengandungi 6% aluminium dan 4% Vanadium; Unsur -unsur ini menguatkan filem oksida, meningkatkan rintangan pitting oleh 20% berbanding dengan titanium murni komersil.
Begitu juga, Ti-6Al-2SN-4ZR-2MO menikmati rintangan rayapan yang lebih baik dalam persekitaran suhu tinggi tanpa menjejaskan rintangan kakisan.
4. Rintangan kakisan dalam persekitaran yang berbeza
Persekitaran berair
- Penyelesaian berasid dan asas (pH 1-14): Titanium menahan ekstrem ph, menunjukkan kadar kakisan di bawah 0.01 mm/yr dalam banyak asid dan alkali di mana keluli tahan karat menderita 0.1-1.0 mm/tahun.
- Media yang mengandungi klorida (Marin, Brines): Walaupun dalam 3.5% NaCl, Titanium tidak mempamerkan pitting pada suhu ambien, manakala 316L keluli tahan karat mula melengkung di ~ 50 ° C..
Pengoksidaan suhu tinggi
Di udara di 500 ° C., aloi titanium mengembangkan skala oksida berterusan <1 μm tebal, sedangkan keluli karbon mengoksidakan ke skala >10 μm, menghilangkan dan mempercepatkan kakisan.
Celah dan kakisan galvanik
Titanium menentang serangan celah di air laut selama beratus -ratus jam selama ASTM G48 ujian, mengatasi prestasi Dupleks 2205 dan Inconel 625, yang menunjukkan penembusan celah dalam 24 jam di bawah keadaan yang sama.
Apabila digabungkan secara galvanik ke keluli dalam garam, Titanium bertindak secara katodik, melindungi keluli daripada menghancurkan dirinya sendiri.
Kakisan yang disebabkan oleh mikrob (Mikrofon)
Tidak seperti keluli -yang dapat mengekalkan biofilm bakteria pengurangan sulfat (SRB) yang mempercepatkan pitting -titanium tetap tidak aktif,
tanpa kerosakan yang berkaitan dengan mic yang boleh diukur selepas 12 bulan rendaman dalam air laut yang kaya dengan nutrien.
5. Adakah karat titanium?
Titanium tidak "berkarat" seperti besi kerana ia dengan cepat membentuk terikat erat, Titanium dioksida penyembuhan diri (TiO₂) Filem pasif (2-10 nm tebal) Apabila terdedah kepada udara atau air.
Lapisan oksida ini secara berkesan mengasingkan logam yang mendasari dari agen yang menghakis,
menghasilkan kadar kakisan di bawah 0.01 mm/tahun paling berasid, alkali, klorida, Marin, dan persekitaran suhu tinggi-prestasi yang melampaui keluli tahan karat dan aloi nikel.
Akibatnya, titanium dan aloi (Mis., Ti-6al-4v) Cari penggunaan yang meluas dalam aeroangkasa, Marin, pemprosesan kimia, dan implan biomedikal.
O4-Mini
6. Prestasi perbandingan
| Bahan | Kadar kakisan<br>(mm/yr) | Tempatan kritikal<br>(° C.) | Kos biasa berbanding dengan Ti |
|---|---|---|---|
| Titanium (Cp) | <0.01 | >150 | 1.0× |
| 316L keluli tahan karat | 0.1-0.3 | ~ 50 | 0.4× |
| Dupleks 2205 | 0.02-0.05 | ~ 100 | 0.6× |
| Inconel 625 | 0.02-0.05 | ~ 120 | 1.5× |
| Besi mulur | 0.5-1.5 | N/a | 0.2× |
7. Ujian dan piawaian
Industri bergantung pada ujian piawai untuk mengesahkan rintangan kakisan:
- ASTM B117 (Semburan garam): Aloi titanium menunjukkan kakisan sifar selepas 1,000 jam, berbanding karat cahaya 316L. selepas 200 jam.
- ASTM G48 (Pitting/crevice): Titanium melewati ujian Jenis A dan C tanpa penembusan, sementara keluli tahan karat gagal dalam beberapa jam.
- Kaedah elektrokimia: Polarisasi potentiodynamic dan Eis Mendedahkan Ketumpatan Semasa Pasif Titanium <0.01 μA/cm², menunjukkan filem oksida yang sangat stabil.
Prestasi medan menyokong data makmal: platform luar pesisir menggunakan laporan penukar haba titanium <1% Kegagalan tiub berakhir 10 tahun, berbanding dengan 30% untuk unit keluli.
8. Implikasi dan aplikasi praktikal
- Marin Perkakasan & Minyak luar pesisir & Gas: Pengapit Riser Titanium, injap, dan penukar haba menahan air laut tekanan tinggi selama beberapa dekad dengan pemeliharaan yang minimum.
- Implan biomedikal: Biocompatible Oxide Fosters Osseointegration Titanium's Biocompatible, dengan jangka hayat implan >20 tahun dan degradasi dalam vivo yang boleh diabaikan.
- Aeroangkasa & Pemprosesan kimia: Dari komponen enjin jet ke kapal reaktor, Titanium menentang pengoksidaan suhu tinggi dan serangan kimia yang agresif.
- Penyelenggaraan & Kitaran hayat: Pemeriksaan rutin memberi tumpuan kepada integriti mekanikal; Pemantauan kakisan sering mengesahkan ketebalan titanium yang tidak berubah berbanding selang perkhidmatan.
9. Kesalahpahaman dan Soalan Lazim
- "Titanium tidak pernah menghancurkan." Walaupun titanium menentang kebanyakan bentuk kakisan, ia boleh menghancurkan di bawah keadaan yang melampau -seperti persekitaran fluorin suhu tinggi.
- "Karat vs. pengoksidaan. " Titanium membentuk stabil oksida (TiO₂), bukan besi oksida, dan tidak serpihan.
- "Gores Perlindungan Kompromi." Goresan kecil sembuh dalam beberapa minit di udara atau air.
Namun begitu, pelapis atau reka bentuk yang teliti dapat menghalang pendedahan yang berpanjangan dalam celah -celah yang dilarang oksigen.
10. Kesimpulan
Titanium tidak bukan karat dalam erti kata -oksida; sebaliknya, ia dengan cepat membentuk a Filem Tio₂ Perlindungan bahawa pengawal terhadap pakaian seragam, pitting, dan kakisan celah merentasi spektrum persekitaran yang luas.
Walaupun kos awalnya melebihi banyak aloi, Titanium tidak dapat ditandingi Rintangan kakisan, biokompatibiliti,
dan sifat mekanikal membenarkan pemilihannya dalam aplikasi yang paling menuntut - dari saluran paip laut yang mendalam kepada implan perubatan yang menyelamatkan nyawa.
Sebagai kemajuan sains material, Rawatan permukaan dan formulasi aloi novel berjanji untuk mengembangkan utiliti titanium lebih jauh lagi -memastikan statusnya sebagai logam tahan karat yang paling tinggi.
