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 ( TiO ₂ ), 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 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.

In Hochtemperatur- und hochkonzentrierten Chloridlösungen wie ZnCl₂ , AlCl₃ und CaCl₂ kann Titan jedoch unter Spaltkorrosion leiden, insbesondere wenn es mit Materialien wie Polytetrafluorethylen in Berührung kommt und einen schmalen Spalt bildet. Daher sollte die Bildung von Spalten bei der Tragwerksplanung vermieden werden, um das Korrosionsrisiko zu verringern.

Titan ist in trockenem Chlor sehr instabil und kann heftig mit Chlor reagieren, um TiCl₄ zu bilden, eine große Menge an Wärme freizusetzen und sogar einen Brand oder Selbstentzündung zu verursachen. Erst wenn genügend Wasser im Chlor ist, hydrolysiert TiCl₄ zu stabilem Titanhydroxid und hemmt so die Verbrennung von Titan.

Untersuchungen zeigen, dass der Mindestfeuchtigkeitsgehalt, der für industrielles Reintitan erforderlich ist, um in einer Chlorumgebung bei 200 °C einen passiven Zustand aufrechtzuerhalten, etwa 1,5 % beträgt, während bei Raumtemperatur nur 0,3 % bis 0,4 % Feuchtigkeit erforderlich sind, um eine Selbstentzündung zu vermeiden. Titan-Palladium-Legierungen und Titan-Nickel-Aluminium-Legierungen sind bei niedriger Luftfeuchtigkeit stabiler und eignen sich für anspruchsvollere chlorhaltige Umgebungen.

Brom, Jod und Fluor und ihre Verbindungen

Die Korrosionsbeständigkeit von Titan in Brom- und Jodumgebungen ist ähnlich wie die von Chlor. Solange sich eine gewisse Feuchtigkeit im Medium befindet, kann die Titanoberfläche einen stabilen Passivierungsfilm aufrechterhalten, um Korrosion zu vermeiden. Daher kann Titan in der Regel sicher unter Bedingungen von nassem Bromgas oder Jodverbindungen verwendet werden.

Im Gegensatz dazu weist Titan keine gute Korrosionsbeständigkeit bei Fluor und seinen Verbindungen auf. Insbesondere in Flusssäure oder sauren Fluoridlösungen korrodiert Titan bereits in geringen Konzentrationen schnell. Derzeit gibt es fast keine wirksamen Korrosionsinhibitoren, um diesen Prozess zu verhindern, so dass Titan nicht für den Einsatz in fluorhaltigen Atmosphären oder flusssäurebedingten Umgebungen geeignet ist.

Bildet Fluorid jedoch einen Komplex mit Metallionen oder ist es ein strukturstabiler Fluorkohlenstoff, korrodieren diese speziellen Formen von Fluorid Titan in der Regel nicht, mit bestimmten Ausnahmen. Dies sollte auf der Grundlage der spezifischen Medienzusammensetzung in der Designanmeldung beurteilt werden.

Korrosionsbeständigkeit von Titan in Fluss- und Meerwasser

Titan hat eine extrem starke Korrosionsbeständigkeit in Fluss- und Meerwasser, insbesondere in Meerwasserumgebungen, seine Korrosionsbeständigkeit ist etwa 100-mal so hoch wie die von Edelstahl und es ist eines der korrosionsbeständigsten Metallmaterialien in natürlichem Wasser. Selbst in hochtemperiertem Meerwasser bis zu 260°C kann Titan noch stabil arbeiten. In der Praxis werden beispielsweise seit mehr als 20 Jahren Titanrohrkondensatoren in verschmutztem Meerwasser eingesetzt, und die Oberfläche hat sich nur geringfügig verfärbt, ohne dass es zu offensichtlicher Korrosion kommt.

Titan hat eine gute Beständigkeit gegen Lochfraß, Spalt- und Schlagkorrosion im Meerwasser und ist auch unempfindlich gegen Spannungskorrosion und Korrosionsermüdung. In schnelllaufendem Meerwasser (z. B. 36,6 m/s) ist der Scheuereffekt leicht verstärkt, aber immer noch besser als bei Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen.

Wenn sich Partikel wie Sand im Meerwasser befinden, hat die Erosion von Titan eine gewisse Wirkung, aber der Gesamtschaden ist relativ gering. Titan hat auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Kavitationskorrosion im Meerwasser und ist für raue Meeresbedingungen geeignet.

Es ist zu beachten, dass die Oberfläche von Titanwerkstoffen ungiftig und nicht korrosiv ist und leicht zu einem Substrat für die Anhaftung von Meeresorganismen werden kann, was zu Problemen wie Biofouling führen kann und ein Schlüsselfaktor ist, der bei marinen Anwendungen zu berücksichtigen ist.

Korrosionsrate von Titan in verschiedenen Medien

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 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.

Meerwasserentsalzung und Meerestechnik

Titan ist sehr widerstandsfähig gegen Chloride, Sanderosion und die Anhaftung von Meeresorganismen im Meerwasser und ist ein ideales Material für Entsalzungsanlagen, Kondensatoren, Pumpen und Ventile sowie Meeresstrukturen. In Umgebungen mit hoher Geschwindigkeit und hohem Salzgehalt leidet Titan kaum unter Lochfraß oder Spaltkorrosion, was einen langfristig zuverlässigen Betrieb der Anlage gewährleistet.

Kernenergie

In Kernkraftwerken hält Titan hohen Temperaturn, hohen Drücken und korrosiven Kühlmitteln stand und weist eine gute Strahlungsbeständigkeit auf. Es wird häufig in nuklearen Wärmetauscherrohren, strukturellen Stützteilen und Rohrleitungssystemen verwendet, um den sicheren und stabilen Betrieb von Geräten unter rauen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten.

Welche Korrosionsschutzdienstleistungen bietet Chalco für Titanprodukte an?

Verstärkung von Legierungen

Chalco verbessert die Korrosionsbeständigkeit von Titan durch Legieren. Nach der Zugabe von Elementen wie Palladium, Nickel und Molybdän wird die Stabilität von Titan in reduzierenden Umgebungen mit Säure und hohem Chloridgehalt deutlich verbessert. Zum Beispiel weist eine Titan-Palladium-Legierung eine hervorragende Leistung in Salzsäure- und Schwefelsäuremedien auf und wird häufig in der chemischen Industrie, Metallurgie, Meerwasseraufbereitung und anderen Bereichen eingesetzt.

Kontrolle der Umwelt

Unter bestimmten Arbeitsbedingungen kann Chalco Empfehlungen für die Verwendung von Korrosionsinhibitoren geben, um den passiven Film auf der Titanoberfläche zu stabilisieren und die Korrosionsrate durch Anpassung der Medienzusammensetzung zu reduzieren. Diese Strategie eignet sich für Kühlwassersysteme, geschlossene Prozessabläufe und andere Szenarien, in denen es unpraktisch ist, Materialien auszutauschen.

Oberflächenbehandlung von Edelmetallen

Für Systeme mit starken elektrochemischen Umgebungen oder hohen Korrosionsrisiken kann Chalco Lösungen für die Oberflächenbehandlung von Edelmetallen anbieten. Durch die Abscheidung von Edelmetallen wie Platin oder Palladium auf der Titanoberfläche kann die Stabilität und Regenerationsfähigkeit des Passivierungsfilms weiter verbessert werden, was in Chlor-Alkali-, Elektrolyse- und Marinesystemen weit verbreitet ist.

Thermische Oxidationsbehandlung

Chalco kann eine thermische Oxidationsbehandlung an Titanmaterialien durchführen, um einen dicken und dichten Oxidfilm auf ihrer Oberfläche zu bilden, der ihre Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperatur-, Wasserdampf- und sauren Gasphasen erhöht. Es eignet sich für hohe Temperaturn und hohe Korrosion, wie z. B. Türme und Wärmetauscher.

Anodischer Schutz

Bei kontinuierlich laufenden Anlagen oder großen Titankonstruktionen kann Chalco Kunden bei der Einrichtung eines anodischen Schutzsystems unterstützen, um Titan durch Einprägungsstrom auf einem passiven Potenzial zu halten und so die Korrosion effektiv zu verzögern. Diese Methode eignet sich zum Schutz von Schlüsselteilen in Branchen wie der Petrochemie, Elektrolyse und Wasseraufbereitung.