Korrosionsbeständigkeit von Titan

Unter vielen Metallwerkstoffen zeichnet sich Titan durch seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus. Ob in einer marinen Umgebung mit hohem Salzgehalt oder in einem chemischen Medium mit starken Säuren oder Alkalien, Titan kann eine stabile Struktur und Oberflächenintegrität für lange Zeit aufrechterhalten. Dieser einzigartige Vorteil macht Titan zum bevorzugten Material in der Luft- und Raumfahrt, in der Meerestechnik, in der chemischen Ausrüstung und in anderen Bereichen.

Das Korrosionsbeständigkeitsprinzip von Titan

Die Korrosionsbeständigkeit von Titan entsteht durch einen dichten, stabilen Oxidfilm ( TiO2 ), der sich spontan auf seiner Oberfläche bildet. Obwohl das Standardelektrodenpotential von Titan bei –1,63 V liegt, was thermodynamisch instabil ist, stabilisiert sich sein Oberflächenpotential nach Einwirkung von Luft oder Wasser bei etwa +0,09 V (25 °C Meerwasser) und bildet einen stark haftenden und selbstheilenden Passivierungsfilm, der Sauerstoff, Feuchtigkeit und korrosive Ionen effektiv blockiert.

des Oxidfilms ist 1-2,5, was dafür sorgt, dass er die Metalloberfläche vollständig bedecken kann und nicht leicht zu knacken ist. Die Schichtdicke kann auf natürliche Weise von anfänglichen 1,2-1,6 nm auf etwa 9 nm (545 Tage) wachsen und kann auch durch Eloxieren und andere Methoden verdickt werden. Daher verbessert der durch Eloxieren und thermische Oxidation erzeugte Oxidfilm die Korrosionsbeständigkeit von Titan erheblich.

Korrosionsbeständigkeit von Titan in verschiedenen Medien

Anorganische Säure

Titan weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in den meisten oxidierenden anorganischen Säuren auf, insbesondere in Medien wie Salpetersäure, Chromsäure, hypochloriger Säure und Perchlorsäure. Dies ist auf die Stabilität des Oberflächenpassivierungsfilms zurückzuführen, der sich selbst heilen kann und die Korrosionsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturn aufrechterhält. Am Beispiel von Salpetersäure weist Titan im Langzeiteinsatz in Salpetersäure bei einer Konzentration von 60 % bei bis zu 193 °C keine Korrosionserscheinungen auf und ist damit ein idealer Metallwerkstoff in Salpetersäuresystemen.

Im Gegensatz dazu ist bei der Reduktion von Säuren wie Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure die Korrosionsbeständigkeit von reinem Titan relativ schlecht, der Passivierungsfilm wird leicht zerstört und die Korrosionsrate steigt mit zunehmender Temperatur und Säurekonzentration deutlich an. Zum Beispiel:

• Von weniger als 5 % Schwefelsäure bei Raumtemperatur mit Luftdurchströmung .
• Salzsäure unter 7 % bei Raumtemperatur;
• Die Korrosionsbeständigkeit gegen Phosphorsäure nimmt mit steigender Temperatur ab und kann nur Konzentrationen unter 2 % bei 100 °C standhalten.

Die Zugabe von Schwermetallionen (wie Fe, Ni, Cu, Mo) oder Legierungen (wie Titan-Palladium-Legierungen, Titan-Nickel-Aluminium-Legierungen) kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit bei der Reduzierung von Säuren erheblich verbessern. Zum Beispiel kann eine Titan-Palladium-Legierung einer Salzsäurelösung bei Raumtemperatur bis zu 27 % standhalten.

Daher sollten beim Einsatz von Titananlagen in einer anorganischen Säureumgebung die oxidierende Eigenschaft, die Temperatur, die Konzentration der Säure und die Frage, ob Korrosionsinhibitoren eingeführt oder eine Legierungsverstärkung zur Festigkeitssteigerung verwendet werden kann, umfassend berücksichtigt werden, um die Lebensdauer und Stabilität zu gewährleisten.

Organische Säuren und organische Verbindungen

Titan weist in den meisten organischen Verbindungen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, was vor allem auf seinen stabilen Passivierungsfilm auf der Oberfläche zurückzuführen ist. Die Korrosionsbeständigkeit von Titan gegenüber organischen Säuren hängt eng mit der Redoxeigenschaft des Mediums zusammen und ist in der Regel unter oxidierenden oder luftdurchlässigen Bedingungen stabil. Nur wenige stark reduzierende Medien, wie heiße Ameisensäure, heiße Oxalsäure und konzentrierte Trichloressigsäure ohne Luft, können Korrosion an Titan verursachen, aber sobald Sauerstoff zugeführt wird, wird die Korrosionsrate erheblich reduziert.

Die Feuchtigkeit und Luft im organischen Medium tragen dazu bei, den passiven Zustand von Titan zu erhalten. Im Gegenteil, unter hohen Temperaturn und wasserfreien Bedingungen kann sich organisches Material zersetzen und Wasserstoff freisetzen, wodurch Titan Wasserstoff absorbiert und Wasserstoffversprödung induziert. Obwohl Titan in solchen Umgebungen weniger korrosiv ist, sollte daher seine Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffversprödung und Spannungskorrosion bei der Verwendung beachtet werden, insbesondere in Hochtemperatur- oder geschlossenen Systemen.

In praktischen Anwendungen kann Titan einer Vielzahl von organischen Säuren wie Essigsäure, Zitronensäure, Weinsäure, Milchsäure usw. stabil widerstehen und wurde erfolgreich in Terephthalsäure- und Adipinsäuremedien bei einer Konzentration von 204 °C und 67 % eingesetzt, was seine Zuverlässigkeit und Haltbarkeit in organisch-chemischen und korrosiven Umgebungen vollständig unter Beweis stellt.

Alkalisches Medium

Titan weist eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit in alkalischen Medien auf. Ob Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder gängige alkalische Lösungen wie Ammoniak, Calciumhydroxid und Magnesiumhydroxid, Titan kann lange Zeit stabil verwendet werden. Im siedenden Zustand liegt die Korrosionsrate von Titan selbst in gesättigtem Calciumhydroxid, Magnesiumhydroxid oder Ammoniak bei nahezu Null, was eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Selbst unter rauen Bedingungen, wie z. B. in einer Natronlauge bei 188 °C und einer Konzentration von 50 % bis 73 %, beträgt die Korrosionsrate von Titan in der Regel nicht mehr als 1,09 mm / a, was immer noch eine sehr langsame Korrosion darstellt. In dieser Umgebung mit hohen Temperaturn und hohen Basen sollte jedoch ein besonderes Augenmerk auf die Problematik der Wasserstoffversprödung gelegt werden. Studien haben gezeigt, dass Titan bei einer Lösungstemperatur von mehr als 77 °C und einem pH-Wert von mehr als 12 Wasserstoff absorbieren kann, was zu einer Wasserstoffversprödung des Materials führt und dadurch die strukturelle Sicherheit beeinträchtigt.

Obwohl Titan eine ausgezeichnete Gesamtkorrosionsbeständigkeit in alkalischen Umgebungen aufweist, muss das Risiko der Wasserstoffversprödung bei hohen Temperaturn und hohen alkalischen Bedingungen dennoch umfassend berücksichtigt werden, um die langfristige Zuverlässigkeit der Geräte zu gewährleisten.

Chlor, Chloride und chlorhaltige Verbindungen

Titan hat eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in nassem Chlorgas, Chloridlösungen und den meisten chlorhaltigen Verbindungen. In Medien wie Chlorat, Hypochlorit, Chlorit und Perchlorat kann Titan einen stabilen Passivierungsfilm aufrechterhalten und wird häufig in Bleichanlagen, elektrolytischen Chloranlagen und Abwasserbehandlungssystemen eingesetzt, wobei es eine gute Langzeitstabilität aufweist.Titananoden, darunterRuthenium-Iridium-beschichtete Titananoden,MMO-beschichtete Titangitteranoden undmit Bleidioxid beschichtete Titananoden in Elektrolyse-, Chloralkali- und Abwasserbehandlungssystemen.

In heißen, hochkonzentrierten Chloridlösungen wie ZnCl₂, AlCl₃ und CaCl₂ kann Titan jedoch Spaltkorrosion erleiden, insbesondere wenn es mit Werkstoffen wie Polytetrafluorethylen in Kontakt kommt und enge Spalte entstehen. Bei der konstruktiven Auslegung sind Spalte daher möglichst zu vermeiden, um das Korrosionsrisiko zu verringern.

In trockenem Chlor ist Titan äußerst instabil und kann heftig zu TiCl₄ reagieren. Dabei wird viel Wärme frei, sodass Brand oder Selbstentzündung möglich sind. Erst bei ausreichendem Wassergehalt hydrolysiert TiCl₄ zu stabilem Titanhydroxid, wodurch die Verbrennung von Titan gehemmt wird.

Untersuchungen zeigen, dass industrielles Reintitan in einer Chlorumgebung bei 200 °C etwa 1,5 % Mindestfeuchte benötigt, um passiv zu bleiben. Bei Raumtemperatur genügen etwa 0,3–0,4 %, um Selbstentzündung zu vermeiden. Titan-Palladium- und Titan-Nickel-Aluminium-Legierungen sind bei geringer Feuchte stabiler und eignen sich für anspruchsvollere chlorhaltige Umgebungen.

Brom, Iod und Fluor sowie deren Verbindungen

Die Korrosionsbeständigkeit von Titan in Brom- und Iodumgebungen ähnelt der in Chlor. Solange das Medium ausreichend Feuchtigkeit enthält, bleibt auf der Titanoberfläche ein stabiler Passivfilm erhalten. Titan kann daher unter Bedingungen mit feuchtem Bromgas oder Iodverbindungen in der Regel sicher eingesetzt werden.

Gegen Fluor und seine Verbindungen ist Titan dagegen nicht ausreichend korrosionsbeständig. Insbesondere in Flusssäure oder sauren Fluoridlösungen wird Titan selbst bei niedriger Konzentration rasch angegriffen. Da kaum wirksame Korrosionsinhibitoren verfügbar sind, eignet sich Titan nicht für fluorhaltige Atmosphären oder flusssäurehaltige Umgebungen.

Bildet Fluorid jedoch Komplexe mit Metallionen oder liegt es als strukturell stabiler Fluorkohlenstoff vor, greifen diese Sonderformen Titan im Allgemeinen nicht an; Ausnahmen sind möglich. Die Eignung ist daher anhand der konkreten Medienzusammensetzung zu beurteilen.

Korrosionsbeständigkeit von Titan in Fluss- und Meerwasser

Titan ist in Fluss- und Meerwasser außerordentlich korrosionsbeständig und eignet sich daher fürTitan für maritime Anwendungen,Titan für den Schiffbau undTitanblech 3.7035 (Grade 2) für Meeres- und Offshore-Technik.

Titan widersteht in Meerwasser Lochfraß, Spalt- und Erosionskorrosion gut und ist zudem unempfindlich gegen Spannungsrisskorrosion und Korrosionsermüdung. Bei schnell strömendem Meerwasser, beispielsweise 36,6 m / s, nimmt der Erosionsangriff leicht zu, bleibt jedoch geringer als bei Kupfer- und Aluminiumlegierungen.

Enthält Meerwasser Partikel wie Sand, kann Erosion die Titanoberfläche beeinflussen; der Gesamtschaden bleibt jedoch vergleichsweise gering. Titan weist außerdem eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Kavitationskorrosion auf und eignet sich für raue maritime Bedingungen.

Zu beachten ist, dass die ungiftige und korrosionsbeständige Titanoberfläche die Anhaftung von Meeresorganismen begünstigen kann. Mögliches Biofouling ist daher bei maritimen Anwendungen konstruktiv und betrieblich zu berücksichtigen.

Korrosionsrate von Titan in verschiedenen Medien

Weitere Angaben zum Korrosionsverhalten von Titan in industriellen Medien finden Sie in unseren ÜbersichtenKorrosionsdaten für Reintitan undKorrosionsbeständigkeit von Titan in Wasser und Meerwasser.

Die Korrosionsrate von industriellem Reintitan hängt nicht nur von der Art, Konzentration und Temperatur des Mediums ab, sondern auch vom Zustand des Mediums, z. B. ob es belüftet ist, ob oxidierende oder reduzierende Verbindungen zugesetzt werden usw.

Arten der Korrosion von Titan

Titan hat aufgrund seines stabilen Passivierungsfilms eine starke Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl von korrosiven Umgebungen. Ein Korrosionsversagen kann jedoch auch unter bestimmten Medien, strukturellen Bedingungen oder Beanspruchungen auftreten. Je nach Umfang und Form der Korrosion kann die Titankorrosion in zwei Kategorien unterteilt werden: allgemeine Korrosion und lokale Korrosion.

Allgemeine Korrosion

Unter allgemeiner Korrosion versteht man das Phänomen, dass sich Titan gleichmäßig auf der Oberfläche in einem korrosiven Medium auflöst. Es tritt normalerweise in einer stark reduzierenden Umgebung auf, in der passive Film nicht gebildet werden kann oder zerstört wird, wie z. B. bei konzentrierter Hochtemperatur-Salzsäure oder Flusssäure. Diese Art von Korrosion ist vorhersehbar und leicht zu kontrollieren, und die Auswirkungen auf die Lebensdauer der Geräte können durch Wandstärkedesign und regelmäßige Wartung beherrscht werden. In den meisten neutralen oder schwach korrosiven Medien unterliegt Titan kaum allgemeiner Korrosion, so dass es in der Chemie, in der Schifffahrt und in der Medizin weit verbreitet ist. .

Lokale Korrosion

Im Vergleich zur allgemeinen Korrosion ist lokale Korrosion zerstörerischer und tritt häufig in lokalen Bereichen auf und breitet sich schnell aus, was leicht zu einer Perforation, einem Ausfall oder einem plötzlichen Bruch der Ausrüstung führen kann. Die lokale Korrosion von Titan umfasst hauptsächlich die folgenden typischen Typen:

Unter Spaltkorrosion versteht man die Korrosion von Titan in strukturellen Lücken oder stehenden Bereichen des Mediums, die häufig in Flanschverbindungen, Dichtungen oder unter Sedimenten auftritt. Durch die eingeschränkte Sauerstoffdurchlässigkeit versagt der lokale Passivfilm und bildet eine Korrosionszelle, die zu einer Versauerung und vermehrter Korrosion im Spaltbereich führt. Obwohl Titan in den meisten Meer- und Industriewässern stabil ist, kann es zu Spaltkorrosion kommen, wenn sich Chloridionen in der Spalte ansammeln.

Lochfraßkorrosion ist durch lokale Perforationskorrosion gekennzeichnet, die häufig in Gegenwart von Halogenionen wie Cl⁻ , Br⁻ und F⁻ auftritt. Diese Ionen haben eine zerstörerische Wirkung auf den Passivierungsfilm, wodurch sich die Korrosion auf einen kleinen Bereich konzentriert und schnell eindringt, wodurch Korrosionsgruben entstehen, die mit bloßem Auge schwer zu erkennen, aber sehr zerstörerisch sind. Titan muss besonders wachsam gegenüber dieser Art von Korrosion in Umgebungen wie statischem Meerwasser und Chloridlösungen sein.

Spannungsrisskorrosion ist eine Form der Rissbildung und des Sprödbruchs, die durch die kombinierte Wirkung von korrosiven Medien und Zugspannungen verursacht wird. Obwohl Titan in den meisten Medien nicht anfällig für solche Risse ist, können einige Titanlegierungen in chloridhaltigen Hochtemperaturumgebungen oder bei Eigenspannungen anfällig für Spannungskorrosion sein.

Abrasive Korrosion ist ein Korrosionsphänomen, das durch die kombinierten Auswirkungen von mechanischer Erosion und elektrochemischer Korrosion verursacht wird. In Hochgeschwindigkeits-Kühlsystemen für Sand- oder Meerwasser kann der Oberflächenpassivierungsfilm von Titan aufgrund von Erosion periodisch zerstört werden, was zu einer lokalen Metallfreilegung und beschleunigter Korrosion führt. Darauf sollte bei Wärmetauschern, Kondensatoren und Rohrleitungssystemen besonders geachtet werden.

Galvanische Korrosion tritt auf, wenn Titan in direktem Kontakt mit anderen metallischen Materialien steht und ein leitfähiges Medium vorhanden ist. Da Titan ein hohes Elektrodenpotential hat, wird bei der Verbindung mit Metallen wie Kohlenstoffstahl und Edelstahl das Metall mit einem niedrigeren Potential zur Anode und löst sich zuerst auf, was zu beschleunigter Korrosion führt. Daher sollte bei der Konstruktion einer Mischstruktur aus Titan und unterschiedlichen Metallen ein direkter Kontakt vermieden oder eine Isolierung und kathodische Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Auch Wasserstoffabsorption und Wasserstoffversprödung sind unter bestimmten Bedingungen mögliche Versagensmechanismen von Titanwerkstoffen. Titan absorbiert leicht Wasserstoffatome und bildet Hydride in Gegenwart von aktiven Wasserstoffquellen wie Hochtemperatur-Alkalilösungen oder sauren Fluoriden. Wenn Wasserstoff seine feste Löslichkeitsgrenze überschreitet, verliert Titan seine Zähigkeit und reißt, was in schweren Fällen zum Materialbruch oder Versagen führen kann.

Vergleich der Korrosionsbeständigkeit zwischen Titan und Aluminium

Typische Anwendungen von Titan in hochkorrosiven Industrien

Chlor-Alkali- und Säureindustrie

In Chloralkali-, Elektrolyse- und Säureherstellungssystemen kann Titan stark korrosiven Medien wie hochkonzentrierten Chloridionen, Salpetersäure und Salzsäure widerstehen und wird häufig in Elektrolysezellen, Wärmetauschern, Säurezirkulationsleitungen und anderen Geräten verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Metallen weisen Titanwerkstoffe in diesen Umgebungen eine höhere Stabilität, eine längere Lebensdauer und niedrigere Wartungskosten auf.Titan für die chemische Industrie anlagen, Elektrolysezellen, Wärmetauschern, Säurekreislaufleitungen,Titan-Druckbehältern undTitan-Kondensatorrohren.

Meerwasserentsalzung und Meerestechnik

Titan ist in Meerwasser sehr beständig gegen Chloride und Sanderosion und eignet sich besonders für Entsalzungsanlagen, Kondensatoren, Pumpen, Ventile und maritime Konstruktionen. Auch bei hoher Strömungsgeschwindigkeit und hohem Salzgehalt tritt kaum Lochfraß oder Spaltkorrosion auf, wodurch ein langfristig zuverlässiger Anlagenbetrieb gewährleistet wird.

Kernenergie

In Kernkraftsystemen widersteht Titan hohen Temperaturen, hohen Drücken und korrosiven Kühlmitteln und besitzt eine gute Strahlungsbeständigkeit. Es wird häufig für kerntechnisch qualifizierte Wärmetauscherrohre, tragende Bauteile und Rohrleitungssysteme eingesetzt und gewährleistet einen sicheren, stabilen Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen.

Welche Korrosionsschutzleistungen bietet Chalco für Titanprodukte?

Legierungstechnische Verbesserung

Chalco verbessert die Korrosionsbeständigkeit von Titan durch gezielte Legierung. Für anspruchsvolle Anwendungen stehen Werkstoffe wieTitanplatte Grade 7,Titanblech Grade 12 sowie Titanstab Grade 7 für besonders anspruchsvolle chemische, chloridhaltige oder reduzierend saure Umgebungen zur Verfügung.

Kontrolle der Betriebsumgebung

Für bestimmte Betriebsbedingungen empfiehlt Chalco geeignete Korrosionsinhibitoren. Durch Anpassung der Medienzusammensetzung lässt sich der Passivfilm auf der Titanoberfläche stabilisieren und die Korrosionsrate senken. Diese Strategie eignet sich für Kühlwassersysteme, geschlossene Prozesskreisläufe und weitere Fälle, in denen ein Werkstoffwechsel nicht praktikabel ist.

Edelmetall-Oberflächenbehandlung

Für stark elektrochemisch beanspruchte Systeme oder Umgebungen mit hohem Korrosionsrisiko bietet Chalco Edelmetall-Oberflächenbehandlungen und Elektrodenbauteile auf Titanbasis, darunterTitangitteranoden,Titan-Anodenkörbe undRuthenium-Iridium-beschichtete Titananoden.

Thermische Oxidationsbehandlung

Chalco kann Titanwerkstoffe thermisch oxidieren, sodass sich eine dicke, dichte Oxidschicht bildet. Diese erhöht die Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, in Wasserdampf und in sauren Gasphasen. Das Verfahren eignet sich für stark korrosive Hochtemperaturanwendungen wie Kolonnen und Wärmetauscher.

Anodischer Schutz

Bei kontinuierlich betriebenen Anlagen oder großen Titankonstruktionen unterstützt Chalco die Einrichtung eines anodischen Schutzsystems. Ein Fremdstrom hält Titan im Passivpotenzial und verzögert dadurch wirksam die Korrosion. Das Verfahren eignet sich zum Schutz kritischer Bauteile in Petrochemie, Elektrolyse und Wasseraufbereitung.