Коррозия титана
Титан считается одним из наиболее прочных металлов. Он отлично выдерживает как механические нагрузки, так и применение в агрессивных условиях среды. Но при определенных условиях, титан также начинает портиться. Если вовремя не среагировать на возникновение проблемы, можно столкнуться с полным разрушением материала.
В этой статье будет рассказано о том, как ведет себя титан и его сплавы при столкновении с внешними катализаторами развития коррозии. Также будет затронута не менее важная тема – способы профилактики и дополнительные средства, позволяющие защитить материал от негативного внешнего воздействия и постепенного разрушения в различных средах.
Особенности протекания процесса коррозии
В основе протекания процесса коррозии лежит окисление. Оно провоцируется внешними факторами – влажностью, контактом с кислотами, щелочами и другими потенциальными угрозами.
Титан относится к категории металлов, которые хорошо сопротивляются негативному воздействию. Но при создании неверных условий и накапливании суммы факторов, возникает реальная проблема, связанная с постепенным разрушением материала.
При развитии коррозии, возникает большая опасность того, что материал полностью придет в негодность. Он теряет свою прочность, начинает разрушаться. Без правильного подхода к защите и ограничению воздействия негативных внешних условий, можно быстро лишиться даже наиболее дорогостоящих изделий.
Катализатором процесса выступает контакт с окислителем. Потому далее мы расскажем, как ведет себя сплав в разных типах агрессивных сред.
Особенности взаимодействия титана с агрессивными средами разного типа
Как уже было отмечено выше, титан относится к списку материалов, которые имеют хорошую естественную защиту от развития коррозийного процесса. Чтобы коррозия запустилась, во многих средах нужно поддерживать высокую температуру. При этом сам металл практически не вступает в химические реакции с различными видами веществ.
Главный защитный фактор – формирование на поверхности титана тонкой пленки. Она не допускает контакта с внешней средой и выступает в качестве барьера для окислителей. Интересная особенность титана, которая отличает его от других видов материалов – даже при удалении такой пленки, она появляется снова за счет протекания процесса пассивации. Таким образом, металл обладает свойством самозащиты от разрушительного воздействия.
Само поведение титана будет меняться в зависимости от того, какие условия были созданы вокруг детали. Рассмотрим наиболее распространенные.
Азотная кислота
Азотная кислота относится к списку сильных факторов, провоцирующих развитие окислительного процесса. При помещении разных видов металлов в такую среду, может наблюдаться растворение, протекающее с разной скоростью. Но титан относится к категории продукции, которая не поддается воздействию азотной кислоты.
Вне зависимости от концентрации раствора, коррозия титана протекает очень медленно. За год можно получить максимальный показатель не более 0,2 мм.
Единственное, что может угрожать металлу – красная дымящаяся азотная кислота. В ней наблюдается протекание интенсивной реакции, в результате которой стремительно развивается коррозия. Единственное средство для нейтрализации процесса – добавление небольшого количества воды.
Соляная кислота
Соляная кислота воздействует на титан намного интенсивнее, чем азотная. Многое зависит от температуры и концентрации раствора, в котором используется материал. Наименьшую опасность представляют разбавленные растворы.
При комнатной температуре интенсивность коррозии плавно возрастает по мере увеличения процентного содержания основного вещества в растворе. Значительным катализатором скорости становится увеличение температуры. Так даже в очень слабых растворах при нагреве до 100 градусов, скорость коррозии становится намного выше. Если при этом раствор становится насыщеннее, интенсивность становится только выше. Пример – если прогреть 20-процентный раствор соляной кислоты до температуры 60 градусов и погрузить в него деталь из титана, интенсивность коррозии увеличится до 29,8 мм в год – это очень высокая скорость порчи материала, которая может привести к его полному выходу из строя.
Пассивирующая пленка на поверхности металла становится все более тонкой и быстро удаляется. При этом стоит также помнить о том, что даже при сильном негативном воздействие соляной кислоты, опасность повреждения титана остается меньше, чем в случае с нержавеющей сталью в аналогичных условиях.
Серная кислота
В растворах с низкой концентрацией коррозии титана можно не опасаться. Даже если однопроцентный раствор серной кислоты нагреть до температуры 95 градусов, уровень повреждения будет оставаться невысоким.
Аналогично ведут себя и более концентрированные растворы, до 20%, если температура среды не поднимается выше обычной комнатной.
С увеличением температуры, коррозийный процесс становится все более интенсивным. Так если сильно прогреть 20-процентный раствор серной кислоты, титан может начать постепенно растворяться. Скорость коррозии в год достигает 10 мм. Существуют проверенные методы, позволяющие уменьшить скорость растворения. Для этого в состав нужно добавить другие варианты кислот – хромовую, марганцевую, азотную или другие.
Органические кислоты
Материал хорошо показывает себя с большинством органических кислот, практически не наблюдается химической реакции. Даже если речь идет про винную, уксусную и молочную кислоту, титан остается целостным и защитная пленка на его поверхности оказывается неповрежденной.
Расплавленные металлы
При контакте с расплавами металлов, большое значение имеет тип сплава титана. Так чистый материал даже в сильно прогретой расплавленной среде не начинает ржаветь при контакте с калием, оловом, магнием, ртутью и другими потенциально-опасными агрессивными веществами.
Плавиковая кислота
Такой раствор является наиболее опасным для титана. Даже слабый, однопроцентный раствор, очень сильно увеличивает скорость протекания коррозийного процесса. С повышением концентрации, титановые детали начинают быстро плавиться. И в этом отношении состав во многом аналогичен по особенностям своего поведения с другими типами металлов и сплавов.
Другие виды кислот
Деталь из титана можно также помещать в различные варианты кислот. К ним относятся кремнефтористоводородная и фосфорная.
Материал отлично противостоит повреждению при контакте со спиртами, перекисью водорода, бромом, хлором и многими другими.
Для того, чтобы увеличить стойкость титана к коррозии, можно использовать дополнительные окислители и ингибиторы. В качестве такого ингибитора может использоваться как медь, так и железо в разной степени концентрации.
Также материалы можно использовать и с другими металлами, которые значительно увеличивают коррозийную стойкость. К ним относятся:
Далее мы также расскажем о том, как именно легирование помогает сильно нарастить качество материала и значительно увеличить длительность его использования.
Легирование как метод защиты титана от коррозии
Одним из наиболее распространенных и хорошо зарекомендовавших себя средств защиты титана от коррозии, становится использование дополнительных легирующих элементов. Все они разделены на несколько групп. К ним относятся:
Стоит также обратить внимание на то, при помощи какого материала проводится легирование. Лучше всего показывает использование таких веществ, как ниобий и молибден. Также можно активно использовать тантал и цирконий.
Особенности возникновения гальванических пар
Одной из проблем при использовании изделий из титана может стать возникновение процесса электрохимической коррозии. Есть несколько основных случаев, при которых могут появляться коррозийные гальванические пары:
Стоит также обратить внимание на то, в какой ситуации используется металл. В ряде случаев для обеспечения оптимальной защиты, можно будет просто изменить условие эксплуатации или устранить потенциально-опасное соседство.
Основы защиты титана от развития коррозии
Существует несколько наиболее распространенных средств, которые позволяют сильно уменьшить опасность устранения защитной пленки на поверхности материала.
Есть несколько наиболее распространенных методов:
Наша компания обеспечивает предоставление услуг по качественной защите материала от коррозии. Мы готовы ответить на все интересующие клиентов вопросы, а также быстро подготовить все, что нужно для устранения потенциальных рисков окисления в процессе использования продукции из титана.
При какой температуре окисляется титан
Воздух, представляющий собой смесь различных газов, является сложной газовой фазой, воздействие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, так как на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха. Вместе с тем следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздуха) воздействие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним самой активной и довольно значительной по количеству составляющей – кислорода.
При взаимодействии титана с кислородом происходит образование различных фаз химических соединений и твердых растворов.
В соответствии с термодинамическими расчетами оксидная пленка на титане должна состоять из слоев оксидов в последовательности:
В действительности при окислении титана при температурах ниже 300OС оксидные слои состоят в основном из Ti3O5, при окислении в интервале температур 400-800OС образуется преимущественно рутил TiO2, а при температурах выше 800OС обнаружены оксиды TiO и Ti2O3. Согласно работе, окисление титана на воздухе и в кислороде до температур 600-650С сопровождается образованием на образцах тонких оксидных пленок толщиной 0,1 мкм. Долей кислорода, растворенного в металлической основе при температурах ниже 450-500С, по-видимому, можно пренебречь.
В работе [5] взаимодействие титана с кислородом описано следующим образом. Через возникающую на первых стадиях процесса пленку двуокиси титана TiO2 осуществляется диффузия кислорода к границе раздела пленка-металл, где происходит химическая реакция и дальнейший рост толщины пленки. Слой низших окислов титана, который должен присутствовать между слоем двуокиси и металлом, оказывается очень тонким и обычно не влияет на характер окисления. Скорость диффузии ионов титана через пленку по сравнению со скоростью диффузии титана очень мала. Однако при повышении температуры диффузия титана несколько увеличивается.
При небольшой продолжительности процесса, когда толщина пленки еще невелика, количество поступающего через пленку кислорода оказывается достаточным для окисления всего титана до двуокиси его. Вместе с тем по мере увеличения толщины пленки количество поступающего в зону кислорода уменьшается, а поступление титана остается постоянным, так как реакция происходит на границе раздела пленка-металл. В результате этого при достижении определенной толщины слоя окалины соотношение количеств титана и кислорода в зоне реакции становится таким, что между TiO2 и металлом образуется слой TiO. Появление его ослабляет сцепление окалины с металлом, которая под действием сжимающих напряжений деформируется и отслаивается, обнажая поверхность металла и обеспечивая скачкообразное увеличение скорости окисления. Однако возросшее поступление кислорода при отслаивании окалины приводит к окислению TiO до TiO2 и описанный выше процесс повторяется.
Газонасыщение титановых сплавов при окислении
Взаимодействие титана с кислородом сопровождается двумя параллельно идущими процессами: образованием оксидов и растворением кислорода в металлической основе.
Рисунок 2-Зависимость коэффициентов диффузии кислорода от температуры:
Коррозия титана – разрушение метала под воздействием агрессивной окружающей среды.
Плотность титана – 4,54 г/см3.
Температура плавления – 1725 ºС.
Титан отличается инертностью во многих средах, т.к. склонен к пассивации. Металл устойчив во многих окислительных средах, содержащих хлорид-ионы. Коррозия титана может проходить только при высоких температурах. Это объясняется тем, что в присутствии любых окислителей поверхность чистого титана почти моментально покрывается тончайшей защитной и сплошной пленкой его оксида.
Титан и его сплавы обладают исключительной стойкостью в атмосфере, морской воде, морской атмосфере.
На воздухе коррозия титана наблюдается только при температуре выше 1200 ºС. Металл возгорается, а на его поверхности образуются оксидные фазы переменного состава.
Коррозия титана под воздействием кислот
Метал устойчив во многих разбавленных кислотах. Абсолютно стоек в азотной кислоте (сильный окислитель) любых концентраций и температур (вплоть до температуры кипения). При взаимодействии с дымящей азотной кислотой коррозия титана, пересыщенной свободными диоксидами азота, титан бурно реагирует (проходит небольшой взрыв). При добавлении небольшого количества воды (1 – 2 %) реакция сразу же прекращается.
В соляной кислоте титан стоек только при условиях: температура 60 ºС, а концентрация не выше 3%; температура 100 ºС и концентрация кислоты не выше 0,5%. При повышении концентрации и температуры титан корродирует с выделением водорода. Чтобы немного снизить скорость коррозии титана в соляной кислоте вводят окислители, такие, как HNO3, K2Cr2O7, H2O2, KMnO4.
При невысоких температурах (до 35 ºС) титан обладает устойчивостью к воздействию фосфорной кислоты, концентрации до 30%.
Коррозия титана наблюдается и в плавиковой кислоте. Чем выше концентрация – тем быстрее растворяется металл. Реакция происходит благодаря образованию комплексного аниона (TiF6)2-, который выступает в качестве комплексообразователя. Даже в 1% HF коррозия титана идет с большой скоростью. Это самая агрессивная для титана среда.
Металл корродирует при контакте с серной кислотой. Наиболее интенсивное растворение титана в серной кислоте наблюдается при концентрациях раствора 40 % и 70%. Скорость коррозии может достигать 15 мм/год. Если концентрация раствора серной кислоты не превышает 2% – коррозия титана не протекает даже при температурах до 95 ºС.
При взаимодействии с большинством органических кислот (винная, уксусная, молочная) коррозия титана протекает очень слабо.
Коррозия титана под влиянием щелочей
Титан устойчив при воздействии большинства разбавленных щелочей.
В растворе NaOH, концентрацией до 20%, титан не корродирует. А при нагреве в более концентрированной щелочи титан постепенно растворяется, образуя соль Na2TiO3 (соль титановой кислоты).
В связи с высокой активностью титан и его сплавы в той или иней мере взаимодействуют с газами, входящими в состав атмосферы, а также с продуктами сгорания топлива, взаимодействие титана и его сплавов с азотом начинается при довольно высоких температурах. При нагреве до 825-850° С на поверхности титана не обнаруживается даже следов нитридной пленки. Выше 850° С поверхность титана тускнеет, что обусловлено образованием на поверхности тонкой нитридной пленки.
С кислородом титан и его сплавы более интенсивно, чем с азотом. При низких температурах окисление протекает очень медленно, но с повышением температуры скорость окисления резко возрастает. Особенно интенсивно технический титан взаимодействует с кислородом при температурах выше 700° С. В процессе окисления на поверхности металла образуется окисная пленка, состоящая, по существу, из рутила а под ней раствор кислорода в титане, концентрация кислорода в котором уменьшается по мере удаления от поверхности в глубь металла.
В воздухе всегда содержатся пары воды, с которыми титан взаимодействует по реакции Ti+Н2О→TiO2+H2+[Н]т1, где [H]т1 — водород, абсорбированный титаном. Таким образом, при этом взаимодействии на поверхности металла образуются окалина и водород, который частично молезуется и уходит в атмосферу, а остальная его часть переходит в титан. Образовавшаяся по этой реакции на поверхности титана окалина постепенно растворяется в нем, образуя газонасыщенный слой. Взаимодействие титана с водяным паром начинается при сравнительно низких температурах, но получает интенсивное развитие лишь при температурах выше 800—850° С, причем содержание водорода в металле существенно возрастает и может превысить допустимые пределы. Окисление титана в парах воды происходит более интенсивно, чем в чистом кислороде в связи с тем, что при взаимодействии титана с кислородом образуется плотная окисная пленка, а при взаимодействии с водяным паром — несплошная пленка. Нарушение сплошности окисной пленки обусловлено одновременной с окислением абсорбцией водорода.
При нагреве титана и его сплавов на воздухе они взаимодействуют с кислородом и парами воды, а азот не реагирует с металлом из-за меньших скоростей взаимодействия. Полагают, что примыкающий к поверхности титана слой, который образуется при нагреве на воздухе, так же как и при окислении, состоит, по существу, из рутила. Под слоем рутила лежит слой титана, обогащенный кислородом. В газонасыщенном слое выделяют альфированный и переходный слой. Альфированный слой отличается по структуре от основного металла повышенным содержанием α-фазы, что легко выявить металле графическим анализом. Переходный слой по микроструктуре заметно не отличается от основного металла, о его присутствии и глубине проникновения можно судить по более высокой микротвердости по сравнению с основным металлом.
С повышением температуры и увеличением продолжительности выдержки толщина газонасыщенного слоя титана возрастает (рис. 77), особенно интенсивно выше 800° С. Титановые сплавы окисляются при нагреве на воздухе в меньшей степени, чем титан. Интенсивность окисления промышленных титановых α+β-сплавов возрастает с увеличением содержания в них β-стабилизаторов.
О толщине окисной пленки на поверхности титана и его сплавов можно приближенно судить по ее цвету. В табл. 26 приведены цвета «побежалости» титана после окисления на воздухе в течение 1 ч при разных температурах и приближенная толщина окисной пленки, соответствующая тому или иному цвету.
При нагреве титана и его сплавов на воздухе происходит наводороживание, которое начинается при температурах 500—600° С и интенсивно развивается выше 800—900° С. Интенсивность наводороживания возрастает с увеличением влажности воздуха (рис. 78).
При нагреве титановых сплавов до температур ниже Aс3 скорость окисления сравнительно мало зависит от состава печной атмосферы. При температурах от 800° С до Aс3 толщина альфированного слоя при нагреве в электрической и газовой печах незначительно изменяется с увеличением выдержки и составляет 0,05—0,2 мм.
При температурах выше Ас3 интенсивность газонасыщения титана и его сплавов при нагреве в газопламенных печах значительно больше, чем в электрических (рис. 79). При нагреве титановых сплавов при температурах 1000-1100°С в газовой печи, особенно в окислительной атмосфере, толщина альфированного слоя может достигать нескольких миллиметров, в то время как при нагреве в электрических она обычно не превышает одного миллиметра. Интенсивность окисления титановых сплавов можно несколько уменьшить, используя восстановительную атмосферу. Однако и в этом случае толщина альфированных слоев больше, чем при нагреве в электрических печах; к тому же в восстановительной атмосфере происходит интенсивное наводороживание (табл. 27).
Иногда полагают, что для уменьшения наводороживания титана и его сплавов нужно нагревать их не в восстановительной, а в окислительной атмосфере. В действительности это не так; в окислительной атмосфере содержатся пары воды, а с ними титан и его сплавы взаимодействуют весьма интенсивно, что приводит к существенному наводороживанию, хотя и несколько меньшему, чем в восстановительной атмосфере (табл. 27). В электрических печах содержание паров воды значительно меньше по сравнению с газовыми и мазутными, в связи с чем интенсивного наводороживания не происходит. Поэтому титановые полуфабрикаты и заготовки из сплавов, сильно склонных к водородной хрупкости, рекомендуют нaгревать при термической обработке в электрических печах.
Водород по объему полуфабрикатов и заготовок распределяется довольно равномерно; лишь при очень больших сечениях содержание водорода в центре металла может быть меньше, чем в поверхностном слое. Если водород проник в металл, то его можно удалить из металла единственным способом – вакуумным отжигом. Кислород проникает в титан на небольшую глубину, в связи с чем окалину и альфированный слой можно удалить разными способами.
Многих интересует немного загадочный и не до конца изученный титан — металл, свойства которого отличаются некоторой двоякостью. Металл и самый прочный, и самый хрупкий.
Самый прочный и самый хрупкий металл
Его открыли двое ученых с разницей в 6 лет — англичанин У. Грегор и немец М. Клапрот. Название титана связывают, с одной стороны, с мифическими титанами, сверхъестественными и бесстрашными, с другой стороны, с Титанией — королевой фей.
Это один из самых распространенных в природе материалов, но процесс получения чистого металла отличается особой сложностью.
Свойства титана
22 химический элемент таблицы Д. Менделеева Titanium (Ti) относится к 4 группе 4 периода.
Цвет титана серебристо-белый с выраженным блеском. Его блики переливаются всеми цветами радуги.
Это один из тугоплавких металлов. Он плавится при температуре +1660 °С (±20°). Титан отличается парамагнитностью: он не намагничивается в магнитном поле и не выталкивается из него.
Металл характеризуется низкой плотностью и высокой прочностью. Но особенность этого материала заключается в том, что даже минимальные примеси других химических элементов кардинально изменяют его свойства. При наличии ничтожной доли других металлов титан теряет свою жаропрочность, а минимум неметаллических веществ в его составе делают сплав хрупким.
Эта особенность обуславливает наличие 2 видов материала: чистого и технического.
Вещество обладает свойством анизотропности. Это означает, что металл может изменять свои физические характеристики, исходя из приложенных усилий. На эту особенность следует обращать внимание, планируя применение материала.
Титан теряет прочность при малейшем присутствии в нем примесей других металлов
Проведенные исследования свойств титана в нормальных условиях подтверждают его инертность. Вещество не реагирует на элементы, находящиеся в окружающей атмосфере.
Изменение параметров начинается при повышении температуры до +400°С и выше. Титан вступает в реакцию с кислородом, может воспламеняться в азоте, впитывает газы.
Эти свойства затрудняют получение чистого вещества и его сплавов. Производство титана основано на применении дорогостоящей вакуумной аппаратуры.
Титан и конкуренция с другими металлами
Этот металл постоянно сравнивают с алюминием и сплавами железа. Многие химические свойства титаназначительно лучше, чем у конкурентов:
Какими способами получают титан?
Материал занимает 10 место по распространению в природе. Существует около 70 минералов, содержащих титан в виде титановой кислоты или его двуокиси. Наиболее распространенные из них и содержащие высокий процент производных металла:
Основные залежи титановых руд находятся в США, Великобритании, Японии, большие месторождения их открыты в России, Украине, Канаде, Франции, Испании, Бельгии.
Добыча титана – дорогой и трудозатратный процесс
Получение металла из них стоит очень дорого. Ученые разработали 4 способа производства титана, каждый из которых рабочий и эффективно используется в промышленности:
Области применения
Применение титана зависит от степени его очистки от примесей. Наличие даже небольшого количества других химических элементов в составе сплава титана кардинально меняет его физико-механические характеристики.
Титан с некоторым количеством примесей называется техническим. Он имеет высокие показатели коррозийной стойкости, это легкий и очень прочный материал. От этих и других показателей зависит его применение.
У титана очень широкая область применения
Чистый титан имеет свои области применения. Он нужен там, где необходима стойкость к высоким температурам и при этом должна сохраняться прочность металла.
Его применяют в:
В процентном соотношении использование титана для производства различных материалов выглядит так:
Сырье и процесс получения титана дорогостоящие, затраты на его производство компенсируются и окупаются сроком службы изделий из этого вещества, его способностью не менять свой внешний вид за весь период эксплуатации.
