مقاومة التيتانيوم للتآكل

من بين العديد من المواد المعدنية ، يتميز التيتانيوم بمقاومته الممتازة للتآكل. سواء في بيئة بحرية عالية الملوحة أو في وسط كيميائي به حمض قوي أو قلوي ، يمكن للتيتانيوم الحفاظ على بنية مستقرة وسلامة السطح لفترة طويلة. هذه الميزة الفريدة تجعل التيتانيوم المادة المفضلة في الفضاء والهندسة البحرية والمعدات الكيميائية وغيرها من المجالات.

مبدأ مقاومة التآكل للتيتانيوم

تأتي مقاومة التآكل للتيتانيوم من فيلم أكسيد كثيف ومستقر (TiO ₂) يتشكل تلقائيا على سطحه. على الرغم من أن إمكانات القطب القياسي للتيتانيوم هي -1.63 فولت ، وهو غير مستقر من الناحية الديناميكية الحرارية ، بعد التعرض للهواء أو الماء ، تستقر إمكاناته السطحية عند حوالي +0.09 فولت (25 درجة مئوية من مياه البحر) ، مما يشكل طبقة تخميل شديدة الالتصاق وذاتية الشفاء تمنع الأكسجين والرطوبة والأيونات المسببة للتآكل.

من فيلم الأكسيد هو 1-2.5 ، مما يضمن أنه يمكن أن يغطي السطح المعدني بالكامل وليس من السهل تكسيره. يمكن أن ينمو سمك الفيلم بشكل طبيعي من 1.2-1.6 نانومتر الأولي إلى حوالي 9 نانومتر (545 يوما) ، ويمكن أيضا تكثيفه عن طريق الأنودة وطرق أخرى. لذلك ، فإن فيلم الأكسيد الناتج عن الأنودة والأكسدة الحرارية سيحسن بشكل كبير من مقاومة التيتانيوم للتآكل.

مقاومة التيتانيوم للتآكل في وسائط مختلفة

حمض غير عضوي

يتمتع التيتانيوم بمقاومة ممتازة للتآكل في معظم الأحماض غير العضوية المؤكسدة ، خاصة في الوسائط مثل حمض النيتريك وحمض الكروميك وحمض هيبوكلوروس وحمض البيركلوريك. ويرجع ذلك إلى استقرار فيلم التخميل السطحي ، والذي يمكنه الشفاء الذاتي والحفاظ على مقاومة التآكل حتى في درجات الحرارة العالية. بأخذ حمض النيتريك كمثال ، لا يوجد على التيتانيوم علامات تآكل في الاستخدام طويل الأمد في حمض النيتريك بتركيز 60٪ عند ما يصل إلى 193 درجة مئوية ، مما يجعله مادة معدنية مثالية في أنظمة حمض النيتريك.

في المقابل ، في تقليل الأحماض مثل حمض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك وحمض الفوسفوريك ، تكون مقاومة التآكل للتيتانيوم النقي ضعيفة نسبيا ، ويتم تدمير فيلم التخميل بسهولة ، ويزداد معدل التآكل بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة وتركيز الحمض. على سبيل المثال:

• أقل من 5٪ في حامض الكبريتيك في درجة حرارة الغرفة مع تدفق الهواء من خلاله.
• إلى حمض الهيدروكلوريك أقل من 7٪ في درجة حرارة الغرفة ;
• تقل مقاومة التآكل لحمض الفوسفوريك مع زيادة درجة الحرارة ، ويمكنها فقط تحمل تركيزات أقل من 2٪ عند 100 درجة مئوية.

ومع ذلك ، فإن إضافة أيونات المعادن الثقيلة (مثل الحديد والنيكل والنحاس والمو) أو صناعة السبائك (مثل سبائك التيتانيوم والبلاديوم وسبائك التيتانيوم والنيكل والألومنيوم) يمكن أن تحسن بشكل كبير من مقاومتها للتآكل في تقليل الأحماض. على سبيل المثال ، يمكن لسبائك التيتانيوم والبلاديوم أن تتحمل ما يصل إلى 27٪ من محلول حمض الهيدروكلوريك في درجة حرارة الغرفة.

لذلك ، عند استخدام معدات التيتانيوم في بيئة حمض غير عضوي ، يجب النظر بشكل شامل في خاصية المؤكسدة ودرجة الحرارة وتركيز الحمض وما إذا كان يمكن إدخال مثبطات التآكل أو استخدام تقوية السبائك لضمان عمر الخدمة والاستقرار.

الأحماض العضوية والمركبات العضوية

يظهر التيتانيوم مقاومة ممتازة للتآكل في معظم المركبات العضوية ، ويرجع ذلك أساسا إلى فيلم التخميل المستقر على السطح. ترتبط مقاومة التيتانيوم للتآكل للأحماض العضوية ارتباطا وثيقا بخاصية الأكسدة والاختزال للوسط ، وعادة ما تكون مستقرة في ظل ظروف المؤكسدة أو نفاذية الهواء. فقط عدد قليل من الوسائط المختزلة للغاية ، مثل حمض الفورميك الساخن وحمض الأكساليك الساخن وحمض ثلاثي كلورو أسيتيك المركز بدون هواء ، قد يتسبب في تآكل التيتانيوم ، ولكن بمجرد إدخال الأكسجين ، سيتم تقليل معدل التآكل بشكل كبير.

تساعد الرطوبة والهواء في الوسط العضوي في الحفاظ على الحالة السلبية للتيتانيوم. على العكس من ذلك ، في ظل درجات الحرارة المرتفعة والظروف اللامائية ، قد تتحلل المواد العضوية وتطلق الهيدروجين ، مما يتسبب في امتصاص التيتانيوم للهيدروجين وإحداث تقصف الهيدروجين. لذلك ، على الرغم من أن التيتانيوم أقل تآكلا في مثل هذه البيئات ، إلا أنه لا يزال يتعين ملاحظة حساسيته لتقصف الهيدروجين وتآكل الإجهاد عند استخدامه ، خاصة في درجات الحرارة العالية أو الأنظمة المغلقة.

في التطبيقات العملية ، يمكن للتيتانيوم أن يتحمل بثبات مجموعة متنوعة من الأحماض العضوية ، مثل حمض الخليك ، وحمض الستريك ، وحمض الطرطريك ، وحمض اللاكتيك ، وما إلى ذلك ، وقد تم استخدامه بنجاح في حمض التريفثاليك ووسائط حمض الأديبيك عند تركيز 204 درجة مئوية و 67٪ ، مما يدل تماما على موثوقيته ومتانته في البيئات الكيميائية العضوية والتآكل.

وسط قلوي

يظهر التيتانيوم مقاومة قوية جدا للتآكل في الوسائط القلوية. سواء كان هيدروكسيد الصوديوم أو هيدروكسيد البوتاسيوم أو المحاليل القلوية الشائعة مثل الأمونيا وهيدروكسيد الكالسيوم وهيدروكسيد المغنيسيوم ، يمكن استخدام التيتانيوم بثبات لفترة طويلة. في حالة الغليان ، حتى في هيدروكسيد الكالسيوم المشبع أو هيدروكسيد المغنيسيوم أو الأمونيا ، يكون معدل تآكل التيتانيوم صفرا تقريبا ، مما يظهر مقاومة عالية للغاية للتآكل.

حتى في ظل الظروف القاسية ، كما هو الحال في محلول هيدروكسيد الصوديوم عند 188 درجة مئوية وتركيز 50٪ إلى 73٪ ، لا يتجاوز معدل تآكل التيتانيوم عادة 1.09 مم / أمبير ، والذي لا يزال تآكلا بطيئا للغاية. ومع ذلك ، في هذه البيئة ذات درجة الحرارة المرتفعة والقلوية العالية ، يجب إيلاء اهتمام خاص لمشكلة تقصف الهيدروجين. أظهرت الدراسات أنه عندما تتجاوز درجة حرارة المحلول 77 درجة مئوية وتكون قيمة الأس الهيدروجيني أعلى من 12 ، قد يمتص التيتانيوم الهيدروجين ، مما يتسبب في تقصف الهيدروجين للمادة ، مما يؤثر على السلامة الهيكلية.

لذلك ، على الرغم من أن التيتانيوم يتمتع بمقاومة ممتازة للتآكل بشكل عام في البيئات القلوية ، عند استخدامه في ظل درجات حرارة عالية وظروف قلوية عالية ، إلا أن خطر تقصف الهيدروجين لا يزال بحاجة إلى النظر بشكل شامل لضمان موثوقية المعدات على المدى الطويل.

الكلور والكلوريدات والمركبات المحتوية على الكلور

يتمتع التيتانيوم بمقاومة ممتازة للتآكل في غاز الكلور الرطب ومحاليل الكلوريد ومعظم المركبات المحتوية على الكلور. في وسائط مثل الكلورات والهيبوكلوريت والكلوريت والبيركلورات ، يمكن للتيتانيوم الحفاظ على طبقة تخميل مستقرة ويستخدم على نطاق واسع في مصانع التبييض ومعدات الكلور الإلكتروليتية وأنظمة معالجة مياه الصرف الصحي ، مما يدل على استقرار جيد على المدى الطويل.

ومع ذلك ، في محاليل الكلوريد ذات درجة الحرارة العالية وعالية التركيز ، مثل ZnCl₂ و AlCl₃ و CaCl₂ ، قد يعاني التيتانيوم من تآكل الشقوق ، خاصة عندما يتلامس مع مواد مثل بولي تترافلورو إيثيلين ويشكل شقا ضيقا. لذلك ، يجب تجنب تكوين الشقوق في التصميم الهيكلي لتقليل مخاطر التآكل.

التيتانيوم غير مستقر للغاية في الكلور الجاف ويمكن أن يتفاعل بعنف مع الكلور لتكوين TiCl ₄ ، مما يؤدي إلى إطلاق كمية كبيرة من الحرارة وحتى التسبب في نشوب حريق أو احتراق تلقائي. فقط عندما يكون هناك ما يكفي من الماء في الكلور ، سيتم تحلل TiCl ₄ إلى هيدروكسيد التيتانيوم المستقر ، مما يمنع احتراق التيتانيوم.

تظهر الأبحاث أن الحد الأدنى لمحتوى الرطوبة المطلوب للتيتانيوم النقي الصناعي للحفاظ على الحالة السلبية في بيئة الكلور عند 200 درجة مئوية يبلغ حوالي 1.5٪ ، بينما في درجة حرارة الغرفة ، يلزم فقط 0.3٪ إلى 0.4٪ رطوبة لتجنب الاحتراق التلقائي. تعتبر سبائك التيتانيوم والبلاديوم وسبائك التيتانيوم والنيكل والألمنيوم أكثر استقرارا في ظل ظروف الرطوبة المنخفضة وهي مناسبة للبيئات المحتوية على الكلور الأكثر تطلبا.

البروم واليود والفلور ومركباتها

مقاومة التيتانيوم للتآكل في بيئات البروم واليود مماثلة لمقاومة الكلور. طالما أن هناك كمية معينة من الرطوبة في الوسط ، يمكن لسطح التيتانيوم الحفاظ على طبقة تخميل مستقرة لتجنب التآكل. لذلك ، يمكن عادة استخدام التيتانيوم بأمان في ظروف غاز البروم الرطب أو مركبات اليود.

في المقابل ، لا يتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة للتآكل في الفلور ومركباته. خاصة في حمض الهيدروفلوريك أو محاليل الفلورايد الحمضية ، سوف يتآكل التيتانيوم بسرعة حتى في التركيزات المنخفضة. لا توجد حاليا مثبطات تآكل فعالة تقريبا لمنع هذه العملية ، لذا فإن التيتانيوم غير مناسب للاستخدام في الأجواء المحتوية على الفلور أو البيئات المتعلقة بحمض الهيدروفلوريك.

ومع ذلك ، إذا كان الفلورايد يشكل مركبا بأيونات معدنية أو كان فلوروكربونيا مستقرا هيكليا ، فإن هذه الأشكال الخاصة من الفلورايد لا تؤدي عموما إلى تآكل التيتانيوم ، مع استثناءات معينة. يجب الحكم على ذلك بناء على تكوين الوسيط المحدد في تطبيق التصميم.

مقاومة التيتانيوم للتآكل في مياه الأنهار ومياه البحر

يتمتع التيتانيوم بمقاومة قوية للغاية للتآكل في مياه الأنهار ومياه البحر ، خاصة في بيئة مياه البحر ، ومقاومته للتآكل تبلغ حوالي 100 مرة من الفولاذ المقاوم للصدأ ، وهو أحد أكثر المواد المعدنية مقاومة للتآكل في المياه الطبيعية. حتى في مياه البحر ذات درجة الحرارة العالية حتى 260 درجة مئوية ، لا يزال بإمكان التيتانيوم العمل بثبات. في التطبيقات الفعلية ، على سبيل المثال ، تم استخدام مكثفات أنبوب التيتانيوم في مياه البحر الملوثة لأكثر من 20 عاما ، ولم يتغير لون السطح إلا قليلا دون تآكل واضح.

يتمتع التيتانيوم بمقاومة جيدة للتآكل والشقوق والتآكل في مياه البحر ، كما أنه غير حساس للتآكل الناتج عن الإجهاد والتعب الناتج عن التآكل. في مياه البحر عالية السرعة (مثل 36.6 م / ث) ، يتم تحسين تأثير التنظيف بشكل طفيف ، لكنه لا يزال أفضل من سبائك النحاس وسبائك الألومنيوم.

عندما تكون هناك جزيئات مثل الرمل في مياه البحر ، فإن تآكل التيتانيوم سيكون له تأثير معين ، لكن الضرر الكلي خفيف نسبيا. يتمتع التيتانيوم أيضا بمقاومة ممتازة لتآكل التجويف في مياه البحر وهو مناسب للظروف البحرية القاسية.

وتجدر الإشارة إلى أن سطح مواد التيتانيوم غير سام وغير قابل للتآكل ، ويمكن أن يصبح بسهولة ركيزة لربط الكائنات البحرية ، مما قد يؤدي إلى مشاكل مثل الحشف الحيوي ، وهو عامل رئيسي يجب مراعاته في التطبيقات البحرية.

معدل تآكل التيتانيوم في وسائط مختلفة

لا يعتمد معدل تآكل التيتانيوم النقي الصناعي على نوع الوسط وتركيزه ودرجة حرارته فحسب ، بل يعتمد أيضا على حالة الوسط ، مثل ما إذا كان جيد التهوية ، وما إذا كانت مضافة مركبات مؤكسدة أو مختزلة ، إلخ.

أنواع تآكل التيتانيوم

يتمتع التيتانيوم بمقاومة قوية للتآكل في مجموعة متنوعة من البيئات المسببة للتآكل بسبب فيلم التخميل المستقر. ومع ذلك ، قد يستمر فشل التآكل في ظل وسائط أو ظروف هيكلية أو إجهاد محدد. وفقا لنطاق وشكل التآكل ، يمكن تقسيم تآكل التيتانيوم إلى فئتين: التآكل العام والتآكل الموضعي.

التآكل العام

يشير التآكل العام إلى ظاهرة أن التيتانيوم يذوب بشكل موحد على السطح في وسط تآكل. يحدث عادة في بيئة اختزال قوية حيث لا يمكن تكوين الفيلم السلبي أو تدميره ، مثل حمض الهيدروكلوريك المركز عالي الحرارة أو حمض الهيدروفلوريك. هذا النوع من التآكل يمكن التنبؤ به ويسهل التحكم فيه ، ويمكن إدارة التأثير على عمر المعدات من خلال تصميم سمك الجدار والصيانة الدورية. في معظم الوسائط المحايدة أو ضعيفة التآكل ، بالكاد يخضع التيتانيوم للتآكل العام ، لذلك يستخدم على نطاق واسع في المجالات الكيميائية والبحرية والطبية. .

التآكل الموضعي

بالمقارنة مع التآكل العام ، يكون التآكل الموضعي أكثر تدميرا وغالبا ما يحدث ويتوسع بسرعة في المناطق المحلية ، مما قد يتسبب بسهولة في ثقب المعدات أو فشلها أو كسرا مفاجئا. يشمل التآكل الموضعي للتيتانيوم بشكل أساسي الأنواع النموذجية التالية:

تآكل الشقوق هو تآكل التيتانيوم في الفجوات الهيكلية أو المناطق الراكدة من الوسط ، وهو أمر شائع في وصلات الحافة أو أختام الحشية أو تحت الرواسب. بسبب انتقال الأكسجين المحدود ، يفشل الفيلم السلبي المحلي ويشكل خلية تآكل ، مما يؤدي إلى التحمض وزيادة التآكل في منطقة الشق. على الرغم من أن التيتانيوم مستقر في معظم مياه البحر والمياه الصناعية ، إلا أن تآكل الشقوق قد يحدث إذا تراكمت أيونات الكلوريد في الشق.

يتميز تآكل التنقر بتآكل الانثقاب الموضعي ، والذي يحدث غالبا في وجود أيونات الهالوجين مثل Cl⁻ و Br⁻ و F⁻. هذه الأيونات لها تأثير مدمر على فيلم التخميل ، مما يتسبب في تركيز التآكل في منطقة صغيرة والاختراق بسرعة ، مما يشكل حفر تآكل يصعب اكتشافها بالعين المجردة ولكنها مدمرة للغاية. يحتاج التيتانيوم إلى توخي اليقظة بشكل خاص ضد هذا النوع من التآكل في بيئات مثل مياه البحر الساكنة ومحاليل الكلوريد.

تكسير التآكل الإجهادي هو شكل من أشكال التكسير والكسر الهش الناجم عن العمل المشترك للوسائط المسببة للتآكل وإجهاد الشد. على الرغم من أن التيتانيوم ليس عرضة لمثل هذا التشقق في معظم الوسائط ، إلا أن بعض سبائك التيتانيوم قد تكون عرضة للتآكل الإجهادي في البيئات ذات درجات الحرارة العالية التي تحتوي على الكلوريد أو في وجود الإجهاد المتبقي.

التآكل الكاشطة هو ظاهرة تآكل ناتجة عن التأثيرات المشتركة للتآكل الميكانيكي والتآكل الكهروكيميائي. في أنظمة تبريد المياه الرملية المتدفقة عالية السرعة أو مياه البحر ، قد يتم تدمير طبقة التخميل السطحية للتيتانيوم بشكل دوري بسبب التعرية ، مما يؤدي إلى التعرض المحلي للمعادن والتآكل المتسارع. يجب إيلاء اهتمام خاص لذلك في المبادلات الحرارية والمكثفات وأنظمة الأنابيب.

يحدث التآكل الجلفاني عندما يكون التيتانيوم على اتصال مباشر بمواد معدنية أخرى وهناك وسيط موصل. نظرا لأن التيتانيوم لديه إمكانات قطب كهربائي عالية ، عندما يتم توصيله بمعادن مثل الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ ، فإن المعدن ذو الإمكانات المنخفضة سيصبح الأنود ويذوب أولا ، مما يتسبب في تسارع التآكل. لذلك ، عند تصميم هيكل مختلط من التيتانيوم والمعادن غير المتشابهة ، يجب تجنب الاتصال المباشر أو العزل واتخاذ تدابير الحماية الكاثودية.

يعد امتصاص الهيدروجين وتقصف الهيدروجين أيضا آليات فشل محتملة لمواد التيتانيوم في ظل ظروف معينة. يمتص التيتانيوم بسهولة ذرات الهيدروجين ويشكل هيدريدات في وجود مصادر الهيدروجين النشطة مثل المحاليل القلوية ذات درجة الحرارة العالية أو الفلوريدات الحمضية. عندما يتجاوز الهيدروجين حد الذوبان الصلب ، يفقد التيتانيوم صلابته وتشققه ، مما قد يؤدي إلى كسر المواد أو فشلها في الحالات الشديدة.

مقارنة مقاومة التآكل بين التيتانيوم والألمنيوم

التطبيقات النموذجية للتيتانيوم في الصناعات شديدة التآكل

صناعة الكلور القلوي والحمض

في أنظمة الكلور القلوي والتحليل الكهربائي وصنع الأحماض ، يمكن للتيتانيوم أن يقاوم الوسائط المسببة للتآكل القوية مثل أيونات الكلوريد عالية التركيز وحمض النيتريك وحمض الهيدروكلوريك ، ويستخدم على نطاق واسع في الخلايا الإلكتروليتية والمبادلات الحرارية وخطوط أنابيب دوران الحمض وغيرها من المعدات. بالمقارنة مع المعادن التقليدية ، تتمتع مواد التيتانيوم بثبات أعلى وعمر أطول وتكاليف صيانة أقل في هذه البيئات.

تحلية مياه البحر والهندسة البحرية

التيتانيوم شديد المقاومة للكلوريدات وتآكل الرمال وارتباط الكائنات البحرية في مياه البحر ، وهو مادة مثالية لمعدات تحلية المياه والمكثفات والمضخات والصمامات والهياكل البحرية. في البيئات عالية السرعة والملوحة العالية ، بالكاد يعاني التيتانيوم من تآكل التنقر أو الشقوق ، مما يضمن تشغيلا موثوقا به على المدى الطويل للمعدات.

طاقة نووية

في أنظمة الطاقة النووية ، يمكن للتيتانيوم أن يتحمل درجات الحرارة المرتفعة والضغوط العالية والمبردات المسببة للتآكل ، ولديه مقاومة جيدة للإشعاع. غالبا ما يستخدم في أنابيب التبادل الحراري من الدرجة النووية وأجزاء الدعم الهيكلي وأنظمة الأنابيب لضمان التشغيل الآمن والمستقر للمعدات في ظل ظروف العمل القاسية.

ما هي خدمات الحماية من التآكل التي تقدمها Chalco لمنتجات التيتانيوم؟

تقوية السبائك

تعمل Chalco على تحسين مقاومة التيتانيوم للتآكل عن طريق صناعة السبائك. بعد إضافة عناصر مثل البلاديوم والنيكل والموليبدينوم ، تم تحسين استقرار التيتانيوم في تقليل بيئات الأحماض والكلوريد العالي بشكل كبير. على سبيل المثال ، تتمتع سبائك التيتانيوم والبلاديوم بأداء ممتاز في وسائط حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك وتستخدم على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية والمعادن ومعالجة مياه البحر وغيرها من المجالات.

الرقابة البيئية

في ظروف عمل معينة ، يمكن ل Chalco تقديم توصيات لاستخدام مثبطات التآكل لتثبيت الفيلم السلبي على سطح التيتانيوم وتقليل معدل التآكل عن طريق ضبط التركيبة المتوسطة. هذه الإستراتيجية مناسبة لأنظمة مياه التبريد ، وتدفقات عملية الحلقة المغلقة ، والسيناريوهات الأخرى التي يكون فيها استبدال المواد غير مناسبة.

المعالجة السطحية للمعادن الثمينة

بالنسبة للأنظمة ذات البيئات الكهروكيميائية القوية أو مخاطر التآكل العالية ، يمكن أن توفر Chalco حلول معالجة أسطح المعادن الثمينة. من خلال ترسيب المعادن الثمينة مثل البلاتين أو البلاديوم على سطح التيتانيوم ، يمكن تحسين استقرار وقدرة التخميل على التخميل بشكل أكبر ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الكلور القلوي والتحليل الكهربائي والأنظمة البحرية.

معالجة الأكسدة الحرارية

يمكن ل Chalco إجراء معالجة الأكسدة الحرارية على مواد التيتانيوم لتشكيل طبقة أكسيد سميكة وكثيفة على سطحها ، مما يعزز مقاومتها للتآكل في درجات الحرارة العالية وبخار الماء ومراحل الغاز الحمضي. إنها مناسبة لدرجات الحرارة العالية ومناسبات التآكل العالي مثل الأبراج ومعدات التبادل الحراري.

حماية أنوديك

في المعدات التي تعمل باستمرار أو هياكل التيتانيوم الكبيرة ، يمكن ل Chalco مساعدة العملاء في إنشاء نظام حماية أنوديك للحفاظ على التيتانيوم في إمكانات سلبية من خلال التيار المعجب ، وبالتالي تأخير التآكل بشكل فعال. هذه الطريقة مناسبة لحماية الأجزاء الرئيسية في صناعات مثل البتروكيماويات والتحليل الكهربائي ومعالجة المياه.