1. 介绍
当我们谈到金属时“生锈,”大多数设想从钢表面的氧化铁剥落的红色薄片.
然而, 锈 特别指铁及其合金的腐蚀. 相比之下, 腐蚀 包括一组更广泛的化学和电化学反应，这些反应几乎降解了任何金属.
了解钛的腐蚀行为证明在 航天 (飞机紧固件) 和 医疗植入物 (髋关节置换) 到 海洋 (船舶热交换器) 和 化学处理 (反应堆内部).
在这些苛刻的环境中, 钛通常优于替代方案, 但 钛是否“生锈”?
本文探讨了钛的腐蚀机制, 将其性能与其他合金进行比较, 并澄清常见的误解.
2. 腐蚀和“生锈”的基本原理
在检查钛的行为之前, 它有助于澄清我们的意思 腐蚀 相对 锈.
腐蚀包括降解金属的任何化学或电化学反应,
而生锈专门指的是红棕色 氧化铁 (fe₂o₃·nho) 当铁或钢与水和氧气反应时形成.
锈与其他氧化物之间的区别
- 锈 (氧化铁): 形式多孔, 剥落的片状层, 暴露新的金属以进一步攻击.
沿海环境中未受保护的钢的典型腐蚀率超过 0.1 mm/yr. - 非铁氧化物: 铝等金属, 铬, 和钛的发展 稠密, 粘附 氧化物膜 (例如。, al₂o₃, cr₂o₃, tio₂).
这些电影有效地减慢了以下通常对速率的进一步腐蚀 0.01 mm/yr.
常见的腐蚀机制
腐蚀不一致. 实践, 工程师认识到几种不同的机制:
- 均匀的腐蚀:
-
- 在表面上均匀地发生.
- 可预测, 厚度损失 0.01–0.1 mm/yr 在温和的环境中.
- 点腐蚀:
-
- 高度局部的腔或“凹坑”。
- 由侵略性阴离子驱动 (例如。, cl⁻); 甚至 ppm 氯化物的水平可以触发不锈钢的凹坑启动.
- 缝隙腐蚀:
-
- 发生在屏蔽的间隙中，停滞的溶液将浓缩腐蚀性浓缩.
- 通常比缝隙内的均匀腐蚀快10-100×.
- 电腐蚀:
-
- 当电解质中两种不同的金属接触时会产生.
- 少量金属 (阳极) 优先腐蚀; 当前的密度可以达到 1000 μA/cm² 在交界处.
- 应力腐蚀破裂 (SCC):
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- 结合拉伸应力和腐蚀性培养基以产生脆弱的失败.
- 在氯化物环境中不锈钢中常见, 以 0.1–1毫米/年 在持续负载下.
3. 钛的独特氧化物层
钛通过自发保护来区分自己 二氧化钛 (tio₂) 电影, 通常 2–10 nm 厚的.
该被动层强烈遵守基板, 阻止进一步的氧化. 而且, 如果刮擦，则在几秒钟内进行自我热情, 只要氧气仍然可用.
热力学, tio₂保持稳定 –200°C 到 600 °C, 在大多数服务温度下授予钛.
合金进一步完善了此保护.
例如, ti-6al-4V (航空飞机主力) 包含 6% 铝和 4% 钒; 这些元素增强了氧化物膜, 通过 20% 与商业上纯钛相比.
相似地, TI-6AL-2SN-4ZR-2MO 在高温环境中享有改善的蠕变性，而不会损害腐蚀性.
4. 不同环境中的耐腐蚀性
水环境
- 酸性和基本溶液 (pH 1-14): 钛承受极端pH值, 在下面显示腐蚀速率 0.01 mm/yr 在许多酸和碱中，不锈钢的发生率 0.1–1.0 mm/yr.
- 含氯化物的培养基 (海军陆战队, 盐水): 甚至在 3.5% NACL, 钛在环境温度下没有斑点, 尽管 316L不锈钢 开始陷入困境 〜50°C.
高温氧化
在空中 500 °C, 钛合金会形成连续的氧化物量表 <1 μm厚, 而碳钢氧化为鳞片 >10 μm, 剥落和加速腐蚀.
缝隙和电腐蚀
钛在海水中抵抗裂缝攻击数百小时 ASTM G48 测试, 表现不佳 双工 2205 和 inconel 625, 在其中显示缝隙穿透 24 在相同条件下的小时.
当在盐水中循环与钢耦合时, 钛在阴茎上起作用, 保护钢而不是腐蚀.
微生物诱导的腐蚀 (麦克风)
与钢不同 - 可以维持硫酸盐还原细菌的生物膜 (SRB) 加速点蚀 - titanium仍然是惰性的,
没有可测量的MIC相关损伤 12 月份 浸入富含营养的海水.
5. 钛生锈吗？?
钛不像铁这样“生锈”，因为它迅速形成紧密粘合, 自我修复二氧化钛 (tio₂) 被动电影 (2–10 nm厚) 暴露于空气或水中.
该氧化物层有效地从腐蚀剂中分离出潜在的金属,
产生以下的腐蚀速率 0.01 最酸性的mm/年, 碱, 氯化物, 海洋, 和高温环境 - 绩效超过不锈钢和镍合金.
因此, 钛及其合金 (例如。, ti-6al-4V) 在航空航天中找到广泛使用, 海洋, 化学处理, 和生物医学植入物.
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6. 比较性能
| 材料 | 腐蚀速率<br>(mm/yr) | 临界点温度<br>(°C) | 相对于Ti的典型成本 |
|---|---|---|---|
| 钛 (CP) | <0.01 | >150 | 1.0× |
| 316L不锈钢 | 0.1–0.3 | 〜50 | 0.4× |
| 双工 2205 | 0.02–0.05 | 〜100 | 0.6× |
| inconel 625 | 0.02–0.05 | 〜120 | 1.5× |
| 延性铁 | 0.5–1.5 | N/A。 | 0.2× |
7. 测试和标准
行业依靠标准化测试来验证耐腐蚀性:
- ASTM B117 (盐喷雾): 钛合金在 1,000 小时, 与浅锈 316l 后 200 小时.
- ASTM G48 (点数/缝隙): 钛通过A型和C测试，没有穿透, 虽然不锈钢在几个小时内失效.
- 电化学方法: 电位动力学极化和 EIS 揭示钛的被动电流密度 <0.01 μA/cm², 表明非常稳定的氧化物膜.
现场绩效支持实验室数据: 使用钛热交换器报告的离岸平台 <1% 管故障结束 10 年, 相比 30% 对于钢单元.
8. 实际含义和应用
- 海军陆战队 硬件 & 离岸油 & 气体: 钛箱夹, 阀, 和热交换器持续数十年来耐用高压海水，而最小的保养.
- 生物医学植入物: 钛的生物相容性氧化物促进骨整合, 植入寿命 >20 年 并可以忽略的体内退化.
- 航天 & 化学处理: 从喷气发动机组件到反应堆容器, 钛抗性高温氧化和侵略性化学攻击.
- 维护 & 生命周期: 常规检查集中于机械完整性; 腐蚀监测通常可以证实钛在服务间隔的不变厚度.
9. 误解和常见问题解答
- “钛永远不会腐蚀。” 而钛却抵抗了大多数形式的腐蚀, 它可以在极端条件下腐蚀 - 例如高温氟环境.
- “锈与. 氧化。” 钛形成稳定 氧化物 (tio₂), 不是氧化铁, 并且不剥落.
- “刮擦妥协保护。” 在空气或水中的几分钟内刮擦愈合.
然而, 涂料或仔细设计可以防止氧气斑缝隙长时间暴露.
10. 结论
钛 做 不要生锈 在铁氧化; 反而, 它迅速形成 保护性Tio₂电影 那守卫统一, 点缀, 和各种环境中的缝隙腐蚀.
尽管其初始成本超过了许多合金的成本, 钛的无与伦比 耐腐蚀性, 生物相容性,
和 机械性能 在最苛刻的应用中，从深海管道到挽救生命的医疗植入物是合理的.
随着材料科学的发展, 表面处理和新颖的合金配方有望进一步扩大钛的效用，并确保其作为 最终耐腐蚀金属.
