Résistance à la corrosion du titane

Parmi de nombreux matériaux métalliques, le titane se distingue par son excellente résistance à la corrosion. Que ce soit dans un environnement marin à forte salinité ou dans un milieu chimique avec un acide ou un alcalin fort, le titane peut maintenir une structure stable et une intégrité de surface pendant une longue période. Cet avantage unique fait du titane le matériau de prédilection dans l’aérospatiale, l’ingénierie marine, les équipements chimiques et d’autres domaines.

Le principe de résistance à la corrosion du titane

La résistance à la corrosion du titane provient d’un film d’oxyde dense et stable (TiO ₂) qui se forme spontanément à sa surface. Bien que le potentiel d’électrode standard du titane soit de -1,63 V, ce qui est thermodynamiquement instable, après exposition à l’air ou à l’eau, son potentiel de surface se stabilise à environ +0,09 V (25 °C d’eau de mer), formant un film de passivation hautement adhérent et auto-cicatrisant qui bloque efficacement l’oxygène, l’humidité et les ions corrosifs.

du film d’oxyde est de 1-2,5, ce qui garantit qu’il peut couvrir complètement la surface métallique et n’est pas facile à fissurer. L’épaisseur du film peut croître naturellement de 1,2 à 1,6 nm initial à environ 9 nm (545 jours), et peut également être épaissie par anodisation et d’autres méthodes. Par conséquent, le film d’oxyde généré par l’anodisation et l’oxydation thermique améliorera considérablement la résistance à la corrosion du titane.

Résistance à la corrosion du titane dans différents milieux

Acide inorganique

Le titane a une excellente résistance à la corrosion dans la plupart des acides inorganiques oxydants, en particulier dans des milieux tels que l’acide nitrique, l’acide chromique, l’acide hypochloreux et l’acide perchlorique. Cela est dû à la stabilité de son film de passivation de surface, qui peut s’auto-réparer et maintenir une résistance à la corrosion même à des températures élevées. Si l’on prend l’exemple de l’acide nitrique, le titane ne présente aucun signe de corrosion lors d’une utilisation à long terme dans l’acide nitrique à une concentration de 60 % jusqu’à 193 °C, ce qui en fait un matériau métallique idéal dans les systèmes d’acide nitrique.

En revanche, dans la réduction des acides tels que l’acide sulfurique, l’acide chlorhydrique et l’acide phosphorique, la résistance à la corrosion du titane pur est relativement faible, le film de passivation est facilement détruit et le taux de corrosion augmente considérablement avec l’augmentation de la température et de la concentration d’acide. Par exemple:

• De moins de 5 % dans l’acide sulfurique à température ambiante avec de l’air qui le traverse.
• À l’acide chlorhydrique inférieur à 7 % à température ambiante ;
• La résistance à la corrosion de l’acide phosphorique diminue avec l’augmentation de la température, et il ne peut résister qu’à des concentrations inférieures à 2 % à 100 °C.

Cependant, l’ajout d’ions de métaux lourds (tels que Fe, Ni, Cu, Mo) ou d’alliages (tels que les alliages titane-palladium, titane-nickel-aluminium) peut améliorer considérablement sa résistance à la corrosion dans la réduction des acides. Par exemple, l’alliage titane-palladium peut résister à une solution d’acide chlorhydrique allant jusqu’à 27 % à température ambiante.

Par conséquent, lorsque l’équipement en titane est utilisé dans un environnement d’acide inorganique, la propriété oxydante, la température, la concentration de l’acide et la possibilité d’introduire des inhibiteurs de corrosion ou d’utiliser un renforcement d’alliage doivent être pris en compte de manière exhaustive pour garantir la durée de vie et la stabilité.

Acides organiques et composés organiques

Le titane présente une excellente résistance à la corrosion dans la plupart des composés organiques, ce qui est principalement dû à son film de passivation stable à la surface. La résistance à la corrosion du titane aux acides organiques est étroitement liée à la propriété redox du milieu et est généralement stable dans des conditions oxydantes ou perméables à l’air. Seuls quelques fluides hautement réducteurs, tels que l’acide formique chaud, l’acide oxalique chaud et l’acide trichloracétique concentré sans air, peuvent provoquer la corrosion du titane, mais une fois l’oxygène introduit, le taux de corrosion sera considérablement réduit.

L’humidité et l’air dans le milieu organique aident à maintenir l’état passif du titane. Au contraire, à haute température et dans des conditions anhydres, la matière organique peut se décomposer et libérer de l’hydrogène, ce qui fait que le titane absorbe l’hydrogène et induit une fragilisation par l’hydrogène. Par conséquent, bien que le titane soit moins corrosif dans de tels environnements, sa sensibilité à la fragilisation par l’hydrogène et à la corrosion sous contrainte doit toujours être notée lorsqu’il est utilisé, en particulier dans des systèmes à haute température ou fermés.

Dans des applications pratiques, le titane peut résister de manière stable à une variété d’acides organiques, tels que l’acide acétique, l’acide citrique, l’acide tartrique, l’acide lactique, etc., et a été utilisé avec succès dans les milieux de l’acide téréphtalique et de l’acide adipique à 204 °C et à une concentration de 67 %, démontrant pleinement sa fiabilité et sa durabilité dans les environnements chimiques organiques et corrosifs.

Milieu alcalin

Le titane présente une très forte résistance à la corrosion dans les milieux alcalins. Qu’il s’agisse d’hydroxyde de sodium, d’hydroxyde de potassium ou de solutions alcalines courantes telles que l’ammoniac, l’hydroxyde de calcium et l’hydroxyde de magnésium, le titane peut être utilisé de manière stable pendant une longue période. À l’état bouillant, même dans l’hydroxyde de calcium saturé, l’hydroxyde de magnésium ou l’ammoniac, le taux de corrosion du titane est presque nul, ce qui montre une résistance à la corrosion extrêmement élevée.

Même dans des conditions difficiles, comme dans une solution d’hydroxyde de sodium à 188°C et une concentration de 50 % à 73 %, le taux de corrosion du titane ne dépasse généralement pas 1,09 mm/a, ce qui reste une corrosion très lente. Cependant, dans cet environnement à haute température et à fort alcalin, une attention particulière doit être accordée au problème de la fragilisation par l’hydrogène. Des études ont montré que lorsque la température de la solution dépasse 77 °C et que la valeur du pH est supérieure à 12, le titane peut absorber l’hydrogène, provoquant une fragilisation du matériau par l’hydrogène, affectant ainsi la sécurité structurelle.

Par conséquent, bien que le titane présente une excellente résistance globale à la corrosion dans les environnements alcalins, lorsqu’il est utilisé à haute température et dans des conditions alcalines élevées, le risque de fragilisation par l’hydrogène doit toujours être pris en compte de manière exhaustive pour garantir la fiabilité à long terme de l’équipement.

Chlore, chlorures et composés chlorés

Le titane a une excellente résistance à la corrosion dans le chlore gazeux humide, les solutions chlorées et la plupart des composés contenant du chlore. Dans des milieux tels que le chlorate, l’hypochlorite, le chlorite et le perchlorate, le titane peut maintenir un film de passivation stable et est largement utilisé dans les usines de blanchiment, les équipements de chlore électrolytique et les systèmes de traitement des eaux usées, montrant une bonne stabilité à long terme.

Cependant, dans les solutions de chlorure à haute température et à haute concentration, telles que ZnCl₂, AlCl₃ et CaCl₂, le titane peut souffrir de corrosion caverneuse, en particulier lorsqu’il entre en contact avec des matériaux tels que le polytétrafluoroéthylène et forme une crevasse étroite. Par conséquent, la formation de crevasses doit être évitée dans la conception structurelle pour réduire le risque de corrosion.

Le titane est très instable dans le chlore sec et peut réagir violemment avec le chlore pour former du TiCl₄, libérant une grande quantité de chaleur et provoquant même un incendie ou une combustion spontanée. Ce n’est que lorsqu’il y a suffisamment d’eau dans le chlore que le TiCl₄ s’hydrolyse en hydroxyde de titane stable, inhibant la combustion du titane.

Les recherches montrent que la teneur minimale en humidité requise pour que le titane pur industriel maintienne un état passif dans un environnement chloré à 200 °C est d’environ 1,5 %, tandis qu’à température ambiante, seulement 0,3 % à 0,4 % d’humidité est nécessaire pour éviter la combustion spontanée. Les alliages titane-palladium et titane-nickel-aluminium sont plus stables dans des conditions de faible humidité et conviennent aux environnements contenant du chlore plus exigeants.

Le brome, l’iode et le fluor et leurs composés

La résistance à la corrosion du titane dans les environnements de brome et d’iode est similaire à celle du chlore. Tant qu’il y a une certaine quantité d’humidité dans le support, la surface en titane peut maintenir un film de passivation stable pour éviter la corrosion. Par conséquent, le titane peut généralement être utilisé en toute sécurité dans des conditions de gaz brome humide ou de composés iodés.

En revanche, le titane n’a pas une bonne résistance à la corrosion dans le fluor et ses composés. En particulier dans les solutions d’acide fluorhydrique ou de fluorure acide, le titane se corrodera rapidement, même à de faibles concentrations. Il n’existe actuellement presque aucun inhibiteur de corrosion efficace pour empêcher ce processus, de sorte que le titane ne convient pas à une utilisation dans des atmosphères contenant du fluor ou des environnements liés à l’acide fluorhydrique.

Cependant, si le fluorure forme un complexe avec des ions métalliques ou s’il s’agit d’un fluorocarbure structurellement stable, ces formes spéciales de fluorure ne corrodent généralement pas le titane, à quelques exceptions près. Cela doit être jugé en fonction de la composition spécifique du support dans la demande de conception.

Résistance à la corrosion du titane dans l’eau de rivière et l’eau de mer

Le titane a une résistance à la corrosion extrêmement forte dans l’eau de rivière et l’eau de mer, en particulier dans un environnement d’eau de mer, sa résistance à la corrosion est environ 100 fois supérieure à celle de l’acier inoxydable, et c’est l’un des matériaux métalliques les plus résistants à la corrosion dans l’eau naturelle. Même dans l’eau de mer à haute température jusqu’à 260°C, le titane peut toujours fonctionner de manière stable. Dans des applications réelles, par exemple, les condenseurs à tube de titane sont utilisés dans l’eau de mer polluée depuis plus de 20 ans, et la surface n’a que légèrement changé de couleur sans corrosion évidente.

Le titane a une bonne résistance à la corrosion par piqûres, crevasses et chocs dans l’eau de mer, et est également insensible à la corrosion sous contrainte et à la fatigue due à la corrosion. Dans l’eau de mer à grande vitesse (par exemple 36,6 m/s), l’effet de décapage est légèrement amélioré, mais il reste meilleur que les alliages de cuivre et d’aluminium.

Lorsqu’il y a des particules telles que du sable dans l’eau de mer, l’érosion du titane aura un certain impact, mais les dommages globaux sont relativement légers. Le titane a également une excellente résistance à la corrosion par cavitation dans l’eau de mer et convient aux conditions marines difficiles.

Il convient de noter que la surface des matériaux en titane est non toxique et non corrosive, et qu’elle peut facilement devenir un substrat pour la fixation d’organismes marins, ce qui peut entraîner des problèmes tels que l’encrassement biologique, et constitue un facteur clé à prendre en compte dans les applications marines.

Taux de corrosion du titane dans différents milieux

La vitesse de corrosion du titane pur industriel dépend non seulement du type, de la concentration et de la température du fluide, mais également de l’état du fluide, par exemple s’il est ventilé, si des composés oxydants ou réducteurs sont ajoutés, etc.

Types de corrosion du titane

Le titane a une forte résistance à la corrosion dans une variété d’environnements corrosifs en raison de son film de passivation stable. Cependant, une défaillance par corrosion peut toujours se produire dans des milieux, des conditions structurelles ou des contraintes spécifiques. Selon l’étendue et la forme de la corrosion, la corrosion du titane peut être divisée en deux catégories : la corrosion générale et la corrosion locale.

Corrosion générale

La corrosion générale fait référence au phénomène selon lequel le titane se dissout uniformément à la surface dans un milieu corrosif. Il se produit généralement dans un environnement fortement réducteur où le film passif ne peut pas se former ou est détruit, comme l’acide chlorhydrique concentré à haute température ou l’acide fluorhydrique. Ce type de corrosion est prévisible et facile à contrôler, et l’impact sur la durée de vie de l’équipement peut être géré grâce à la conception de l’épaisseur de la paroi et à un entretien régulier. Dans la plupart des milieux neutres ou faiblement corrosifs, le titane subit à peine une corrosion générale, il est donc largement utilisé dans les domaines chimique, marin et médical. .

Corrosion localisée

Par rapport à la corrosion générale, la corrosion locale est plus destructrice et se produit souvent et s’étend rapidement dans les zones locales, ce qui peut facilement provoquer une perforation, une défaillance ou une rupture soudaine de l’équipement. La corrosion locale du titane comprend principalement les types typiques suivants :

La corrosion caverneuse est la corrosion du titane dans les espaces structurels ou les zones stagnantes du fluide, qui est courante dans les raccords à bride, les joints d’étanchéité ou sous les sédiments. En raison de la transmission limitée de l’oxygène, le film passif local se rompt et forme une cellule de corrosion, ce qui entraîne une acidification et une corrosion accrue dans la zone des crevasses. Bien que le titane soit stable dans la plupart des eaux de mer et industrielles, la corrosion caverneuse peut se produire si les ions chlorure s’accumulent dans la crevasse.

La corrosion par piqûres se caractérise par une corrosion par perforation locale, qui se produit souvent en présence d’ions halogènes tels que Cl⁻, Br⁻ et F⁻. Ces ions ont un effet destructeur sur le film de passivation, provoquant la concentration de la corrosion dans une petite zone et sa pénétration rapide, formant des trous de corrosion difficiles à détecter à l’œil nu mais très destructeurs. Le titane doit être particulièrement vigilant contre ce type de corrosion dans des environnements tels que l’eau de mer statique et les solutions chlorures.

La fissuration par corrosion sous contrainte est une forme de fissuration et de rupture fragile causée par l’action combinée de fluides corrosifs et de contraintes de traction. Bien que le titane ne soit pas sujet à une telle fissuration dans la plupart des milieux, certains alliages de titane peuvent être sensibles à la corrosion sous contrainte dans des environnements à haute température contenant du chlorure ou en présence de contraintes résiduelles.

La corrosion abrasive est un phénomène de corrosion causé par les effets combinés de l’érosion mécanique et de la corrosion électrochimique. Dans les systèmes de refroidissement à grande vitesse par eau sablonneuse ou à eau de mer, le film de passivation de surface du titane peut être périodiquement détruit en raison de l’érosion, ce qui entraîne une exposition locale au métal et une corrosion accélérée. Il convient d’accorder une attention particulière à ce point dans les échangeurs de chaleur, les condenseurs et les systèmes de tuyauterie.

La corrosion galvanique se produit lorsque le titane est en contact direct avec d’autres matériaux métalliques et qu’il existe un milieu conducteur. Étant donné que le titane a un potentiel d’électrode élevé, lorsqu’il est connecté à des métaux tels que l’acier au carbone et l’acier inoxydable, le métal avec un potentiel plus faible deviendra l’anode et se dissoudra en premier, provoquant une corrosion accélérée. Par conséquent, lors de la conception d’une structure mixte de titane et de métaux différents, le contact direct doit être évité ou des mesures d’isolation et de protection cathodique doivent être prises.

L’absorption d’hydrogène et la fragilisation par l’hydrogène sont également des mécanismes de défaillance possibles des matériaux en titane dans certaines conditions. Le titane absorbe facilement les atomes d’hydrogène et forme des hydrures en présence de sources d’hydrogène actives telles que des solutions alcalines à haute température ou des fluorures acides. Lorsque l’hydrogène dépasse sa limite de solubilité solide, le titane perd de sa ténacité et se fissure, ce qui peut entraîner une rupture ou une défaillance du matériau dans les cas graves.

Comparaison de la résistance à la corrosion entre le titane et l’aluminium

Applications typiques du titane dans les industries hautement corrosives

Industrie du chlore, de la soude caustique et de l’acide

Dans les systèmes de chlore-alcali, d’électrolyse et de fabrication d’acide, le titane peut résister à des milieux corrosifs puissants tels que les ions chlorure à haute concentration, l’acide nitrique et l’acide chlorhydrique, et est largement utilisé dans les cellules électrolytiques, les échangeurs de chaleur, les canalisations de circulation d’acide et d’autres équipements. Par rapport aux métaux traditionnels, les matériaux en titane ont une plus grande stabilité, une durée de vie plus longue et des coûts d’entretien inférieurs dans ces environnements.

Dessalement de l’eau de mer et génie maritime

Le titane est très résistant aux chlorures, à l’érosion du sable et à la fixation des organismes marins dans l’eau de mer, et constitue un matériau idéal pour les équipements de dessalement, les condenseurs, les pompes et les vannes, et les structures marines. Dans les environnements à grande vitesse et à haute salinité, le titane souffre à peine de corrosion par piqûres ou crevasses, ce qui garantit un fonctionnement fiable à long terme de l’équipement.

Énergie nucléaire

Dans les systèmes d’énergie nucléaire, le titane peut résister à des températures élevées, à des pressions élevées et à des liquides de refroidissement corrosifs, et a une bonne résistance aux radiations. Il est souvent utilisé dans les tubes d’échange de chaleur de qualité nucléaire, les pièces de support structurel et les systèmes de tuyauterie pour assurer le fonctionnement sûr et stable de l’équipement dans des conditions de travail difficiles.

Quels sont les services de protection contre la corrosion proposés par Chalco pour les produits en titane ?

Renforcement des alliages

Chalco améliore la résistance à la corrosion du titane par alliage. Après l’ajout d’éléments tels que le palladium, le nickel et le molybdène, la stabilité du titane dans les environnements acides réducteurs et à forte teneur en chlorure est considérablement améliorée. Par exemple, l’alliage titane-palladium a d’excellentes performances dans les milieux de l’acide chlorhydrique et de l’acide sulfurique et est largement utilisé dans l’industrie chimique, la métallurgie, le traitement de l’eau de mer et d’autres domaines.

Contrôle de l’environnement

Dans certaines conditions de travail, Chalco peut fournir des recommandations pour l’utilisation d’inhibiteurs de corrosion afin de stabiliser le film passif sur la surface du titane et de réduire le taux de corrosion en ajustant la composition du fluide. Cette stratégie convient aux systèmes d’eau de refroidissement, aux flux de processus en boucle fermée et à d’autres scénarios où il n’est pas pratique de remplacer les matériaux.

Traitement de surface des métaux précieux

Pour les systèmes présentant des environnements électrochimiques forts ou des risques de corrosion élevés, Chalco peut fournir des solutions de traitement de surface des métaux précieux. En déposant des métaux précieux tels que le platine ou le palladium sur la surface du titane, la stabilité et la capacité de régénération du film de passivation peuvent être encore améliorées, ce qui est largement utilisé dans le chlore-alcali, l’électrolyse et les systèmes marins.

Traitement par oxydation thermique

Chalco peut effectuer un traitement d’oxydation thermique sur les matériaux en titane pour former un film d’oxyde épais et dense à leur surface, améliorant ainsi leur résistance à la corrosion à haute température, à la vapeur d’eau et aux phases de gaz acides. Il convient aux températures élevées et aux occasions de corrosion élevée telles que les tours et les équipements d’échange de chaleur.

Protection anodique

Dans le cadre d’équipements fonctionnant en continu ou de grandes structures en titane, Chalco peut aider les clients à établir un système de protection anodique pour maintenir le titane à un potentiel passif grâce à un courant imposé, retardant ainsi efficacement la corrosion. Cette méthode convient à la protection de pièces clés dans des industries telles que la pétrochimie, l’électrolyse et le traitement de l’eau.