Resistenza alla corrosione del titanio

Tra i tanti materiali metallici, il titanio si distingue per la sua eccellente resistenza alla corrosione. Sia in un ambiente marino ad alta salinità che in un mezzo chimico con acidi o alcali forti, il titanio può mantenere una struttura stabile e l'integrità della superficie per lungo tempo. Questo vantaggio unico rende il titanio il materiale preferito nell'aerospaziale, nell'ingegneria navale, nelle apparecchiature chimiche e in altri campi.

Il principio di resistenza alla corrosione del titanio

La resistenza alla corrosione del titanio deriva da un film di ossido denso e stabile ( TiO ₂ ) che si forma spontaneamente sulla sua superficie. Sebbene il potenziale dell'elettrodo standard del titanio sia di -1,63 V, che è termodinamicamente instabile, dopo l'esposizione all'aria o all'acqua, il suo potenziale superficiale si stabilizza a circa +0,09 V (25°C di acqua di mare), formando un film di passivazione altamente aderente e autorigenerante che blocca efficacemente ossigeno, umidità e ioni corrosivi.

del film di ossido è 1-2,5, il che assicura che possa coprire completamente la superficie metallica e non sia facile da rompere. Lo spessore del film può crescere naturalmente dagli iniziali 1,2-1,6 nm a circa 9 nm (545 giorni) e può anche essere addensato mediante anodizzazione e altri metodi. Pertanto, il film di ossido generato dall'anodizzazione e dall'ossidazione termica migliorerà significativamente la resistenza alla corrosione del titanio.

Resistenza alla corrosione del titanio in diversi mezzi

Acido inorganico

Il titanio ha un'eccellente resistenza alla corrosione nella maggior parte degli acidi inorganici ossidanti, specialmente in mezzi come l'acido nitrico, l'acido cromico, l'acido ipocloroso e l'acido perclorico. Ciò è dovuto alla stabilità del suo film di passivazione superficiale, che può autorigenerarsi e mantenere la resistenza alla corrosione anche ad alte temperature. Prendendo come esempio l'acido nitrico, il titanio non ha segni di corrosione nell'uso a lungo termine nell'acido nitrico a una concentrazione del 60% fino a 193°C, il che lo rende un materiale metallico ideale nei sistemi di acido nitrico.

Al contrario, negli acidi riducenti come l'acido solforico, l'acido cloridrico e l'acido fosforico, la resistenza alla corrosione del titanio puro è relativamente scarsa, il film di passivazione viene facilmente distrutto e il tasso di corrosione aumenta in modo significativo con l'aumento della temperatura e della concentrazione di acido. Per esempio:

• Inferiore al 5% in acido solforico a temperatura ambiente con aria che lo attraversa.
• All'acido cloridrico inferiore al 7% a temperatura ambiente;
• La resistenza alla corrosione dell'acido fosforico diminuisce con l'aumentare della temperatura e può resistere solo a concentrazioni inferiori al 2% a 100°C.

Tuttavia, l'aggiunta di ioni di metalli pesanti (come Fe, Ni, Cu, Mo) o leghe (come la lega di titanio-palladio, la lega di titanio-nichel-alluminio) può migliorare significativamente la sua resistenza alla corrosione negli acidi riducenti. Ad esempio, la lega di titanio-palladio può resistere fino al 27% di soluzione di acido cloridrico a temperatura ambiente.

Pertanto, quando l'attrezzatura in titanio viene utilizzata in un ambiente di acido inorganico, la proprietà ossidante, la temperatura, la concentrazione dell'acido e la possibilità di introdurre inibitori di corrosione o di rinforzare la lega devono essere considerati in modo completo per garantire la durata e la stabilità.

Acidi organici e composti organici

Il titanio mostra un'eccellente resistenza alla corrosione nella maggior parte dei composti organici, dovuta principalmente al suo film di passivazione stabile sulla superficie. La resistenza alla corrosione del titanio agli acidi organici è strettamente correlata alla proprietà redox del mezzo ed è solitamente stabile in condizioni ossidanti o permeabili all'aria. Solo pochi mezzi altamente riducenti, come l'acido formico caldo, l'acido ossalico caldo e l'acido tricloroacetico concentrato senza aria, possono causare corrosione al titanio, ma una volta introdotto l'ossigeno, il tasso di corrosione sarà significativamente ridotto.

L'umidità e l'aria nel mezzo organico aiutano a mantenere lo stato passivo del titanio. Al contrario, ad alta temperatura e in condizioni anidra, la materia organica può decomporsi e rilasciare idrogeno, causando l'assorbimento di idrogeno da parte del titanio e l'induzione dell'infragilimento da idrogeno. Pertanto, sebbene il titanio sia meno corrosivo in tali ambienti, la sua sensibilità all'infragilimento da idrogeno e alla tensocorrosione dovrebbe comunque essere notata quando viene utilizzato, specialmente in sistemi ad alta temperatura o chiusi.

Nelle applicazioni pratiche, il titanio può resistere stabilmente a una varietà di acidi organici, come acido acetico, acido citrico, acido tartarico, acido lattico, ecc., ed è stato utilizzato con successo in acido tereftalico e acido adipico a 204°C e 67% di concentrazione, dimostrando pienamente la sua affidabilità e durata in ambienti chimici organici e corrosivi.

Mezzo alcalino

Il titanio mostra una resistenza alla corrosione molto forte nei mezzi alcalini. Che si tratti di idrossido di sodio, idrossido di potassio o soluzioni alcaline comuni come ammoniaca, idrossido di calcio e idrossido di magnesio, il titanio può essere utilizzato stabilmente per lungo tempo. In uno stato di ebollizione, anche in idrossido di calcio saturo, idrossido di magnesio o ammoniaca, il tasso di corrosione del titanio è quasi nullo, mostrando una resistenza alla corrosione estremamente elevata.

Anche in condizioni difficili, come in una soluzione di idrossido di sodio a 188°C e una concentrazione dal 50% al 73%, il tasso di corrosione del titanio di solito non supera 1,09 mm/a, che è ancora una corrosione molto lenta. Tuttavia, in questo ambiente ad alta temperatura e ad alta alcalinità, è necessario prestare particolare attenzione al problema dell'infragilimento da idrogeno. Gli studi hanno dimostrato che quando la temperatura della soluzione supera i 77°C e il valore del pH è superiore a 12, il titanio può assorbire l'idrogeno, causando l'infragilimento da idrogeno del materiale, compromettendo così la sicurezza strutturale.

Pertanto, sebbene il titanio abbia un'eccellente resistenza alla corrosione complessiva in ambienti alcalini, se utilizzato ad alta temperatura e in condizioni di elevata alcalinità, il rischio di infragilimento da idrogeno deve ancora essere considerato in modo completo per garantire l'affidabilità a lungo termine dell'apparecchiatura.

Cloro, cloruri e composti contenenti cloro

Il titanio ha un'eccellente resistenza alla corrosione nel cloro gassoso umido, nelle soluzioni di cloruro e nella maggior parte dei composti contenenti cloro. In mezzi come clorato, ipoclorito, clorito e perclorato, il titanio può mantenere un film di passivazione stabile ed è ampiamente utilizzato negli impianti di sbiancamento, nelle apparecchiature per il cloro elettrolitico e nei sistemi di trattamento delle acque reflue, mostrando una buona stabilità a lungo termine.

Tuttavia, in soluzioni di cloruri ad alta temperatura e ad alta concentrazione, come ZnCl₂ , AlCl₃ e CaCl₂ , il titanio può soffrire di corrosione interstiziale, soprattutto quando viene a contatto con materiali come il politetrafluoroetilene e forma una fessura stretta. Pertanto, la formazione di fessure dovrebbe essere evitata nella progettazione strutturale per ridurre il rischio di corrosione.

Il titanio è molto instabile nel cloro secco e può reagire violentemente con il cloro per formare TiCl₄ , rilasciando una grande quantità di calore e provocando persino incendi o combustione spontanea. Solo quando c'è abbastanza acqua nel cloro, il TiCl₄ si idrolizza in idrossido di titanio stabile, inibendo la combustione del titanio.

La ricerca mostra che il contenuto minimo di umidità richiesto per il titanio puro industriale per mantenere uno stato passivo in un ambiente di cloro a 200°C è di circa l'1,5%, mentre a temperatura ambiente è necessario solo dallo 0,3% allo 0,4% di umidità per evitare la combustione spontanea. Le leghe di titanio-palladio e le leghe di titanio-nichel-alluminio sono più stabili in condizioni di bassa umidità e sono adatte per ambienti contenenti cloro più esigenti.

Bromo, iodio e fluoro e loro composti

La resistenza alla corrosione del titanio in ambienti di bromo e iodio è simile a quella del cloro. Finché c'è una certa quantità di umidità nel fluido, la superficie in titanio può mantenere un film di passivazione stabile per evitare la corrosione. Pertanto, il titanio può solitamente essere utilizzato in sicurezza in condizioni di gas bromo umido o composti di iodio.

Al contrario, il titanio non ha una buona resistenza alla corrosione nel fluoro e nei suoi composti. Soprattutto nelle soluzioni di acido fluoridrico o fluoruro acido, il titanio si corrode rapidamente anche a basse concentrazioni. Attualmente non esistono quasi inibitori di corrosione efficaci per prevenire questo processo, quindi il titanio non è adatto per l'uso in atmosfere contenenti fluoro o in ambienti correlati all'acido fluoridrico.

Tuttavia, se il fluoruro forma un complesso con ioni metallici o è un fluorocarburo strutturalmente stabile, queste forme speciali di fluoruro generalmente non corrodono il titanio, con alcune eccezioni. Questo dovrebbe essere giudicato in base alla composizione specifica del mezzo nella domanda di design.

Resistenza alla corrosione del titanio nell'acqua di fiume e nell'acqua di mare

Il titanio ha una resistenza alla corrosione estremamente forte nell'acqua di fiume e nell'acqua di mare, specialmente nell'ambiente dell'acqua di mare, la sua resistenza alla corrosione è circa 100 volte quella dell'acciaio inossidabile ed è uno dei materiali metallici più resistenti alla corrosione nell'acqua naturale. Anche in acqua di mare ad alta temperatura fino a 260°C, il titanio può ancora funzionare in modo stabile. Nelle applicazioni reali, ad esempio, i condensatori a tubi di titanio sono stati utilizzati in acqua di mare inquinata per più di 20 anni e la superficie ha cambiato colore solo leggermente senza corrosione evidente.

Il titanio ha una buona resistenza alla vaiolatura, alla corrosione interstiziale e da impatto nell'acqua di mare ed è anche insensibile alla tensocorrosione e alla fatica da corrosione. In acque marine ad alta velocità (come 36,6 m/s), l'effetto abrasivo è leggermente migliorato, ma è comunque migliore delle leghe di rame e delle leghe di alluminio.

Quando ci sono particelle come la sabbia nell'acqua di mare, l'erosione del titanio avrà un certo impatto, ma il danno complessivo è relativamente leggero. Il titanio ha anche un'eccellente resistenza alla corrosione da cavitazione in acqua di mare ed è adatto a condizioni marine difficili.

Va notato che la superficie dei materiali in titanio è atossica e non corrosiva e può facilmente diventare un substrato per l'attaccamento di organismi marini, il che può portare a problemi come il biofouling, ed è un fattore chiave da considerare nelle applicazioni marine.

Velocità di corrosione del titanio in diversi mezzi

Il tasso di corrosione del titanio puro industriale dipende non solo dal tipo, dalla concentrazione e dalla temperatura del fluido, ma anche dallo stato del mezzo, ad esempio se è ventilato, se vengono aggiunti composti ossidanti o riducenti, ecc.

Tipi di corrosione del titanio

Il titanio ha una forte resistenza alla corrosione in una varietà di ambienti corrosivi grazie al suo film di passivazione stabile. Tuttavia, il cedimento per corrosione può ancora verificarsi in presenza di fluidi, condizioni strutturali o sollecitazioni specifiche. A seconda dell'ambito e della forma della corrosione, la corrosione del titanio può essere suddivisa in due categorie: corrosione generale e corrosione locale.

Corrosione generale

La corrosione generale si riferisce al fenomeno in cui il titanio si dissolve uniformemente sulla superficie in un mezzo corrosivo. Di solito si verifica in un ambiente fortemente riducente in cui il film passivo non può essere formato o viene distrutto, come l'acido cloridrico concentrato ad alta temperatura o l'acido fluoridrico. Questo tipo di corrosione è prevedibile e facile da controllare e l'impatto sulla durata delle apparecchiature può essere gestito attraverso la progettazione dello spessore delle pareti e la manutenzione regolare. Nella maggior parte dei mezzi neutri o debolmente corrosivi, il titanio difficilmente subisce corrosione generale, quindi è ampiamente utilizzato in campo chimico, marino e medico. .

Corrosione localizzata

Rispetto alla corrosione generale, la corrosione locale è più distruttiva e spesso si verifica e si espande rapidamente nelle aree locali, il che può facilmente causare perforazione, guasto o frattura improvvisa delle apparecchiature. La corrosione locale del titanio comprende principalmente i seguenti tipi tipici:

La corrosione interstiziale è la corrosione del titanio nelle fessure strutturali o nelle aree stagnanti del fluido, che è comune nelle connessioni delle flange, nelle guarnizioni delle guarnizioni o sotto i sedimenti. A causa della limitata trasmissione di ossigeno, il film passivo locale si guasta e forma una cella di corrosione, che porta all'acidificazione e all'aumento della corrosione nell'area della fessura. Sebbene il titanio sia stabile nella maggior parte dell'acqua di mare e industriale, la corrosione interstiziale può verificarsi se gli ioni cloruro si accumulano nella fessura.

La corrosione per vaiolatura è caratterizzata da corrosione da perforazione locale, che spesso si verifica in presenza di ioni alogeni come Cl⁻, Br⁻ e F⁻. Questi ioni hanno un effetto distruttivo sul film di passivazione, causando la concentrazione della corrosione in una piccola area e la penetrazione rapida, formando pozzi di corrosione difficili da rilevare ad occhio nudo ma altamente distruttivi. Il titanio deve essere particolarmente vigile contro questo tipo di corrosione in ambienti come l'acqua di mare statica e le soluzioni di cloruro.

La tensocorrosione è una forma di fessurazione e frattura fragile causata dall'azione combinata di mezzi corrosivi e sollecitazioni di trazione. Sebbene il titanio non sia soggetto a tali fessurazioni nella maggior parte dei mezzi, alcune leghe di titanio possono essere suscettibili alla tensocorrosione in ambienti ad alta temperatura contenenti cloruro o in presenza di sollecitazioni residue.

La corrosione abrasiva è un fenomeno di corrosione causato dagli effetti combinati dell'erosione meccanica e della corrosione elettrochimica. Nei sistemi di raffreddamento ad alta velocità con acqua sabbiosa o acqua di mare, il film di passivazione superficiale del titanio può essere periodicamente distrutto a causa dell'erosione, con conseguente esposizione locale del metallo e corrosione accelerata. A questo aspetto occorre prestare particolare attenzione negli scambiatori di calore, nei condensatori e nei sistemi di tubazioni.

La corrosione galvanica si verifica quando il titanio è a diretto contatto con altri materiali metallici ed è presente un mezzo conduttivo. Poiché il titanio ha un elevato potenziale dell'elettrodo, quando è collegato a metalli come l'acciaio al carbonio e l'acciaio inossidabile, il metallo con un potenziale inferiore diventerà l'anodo e si dissolverà per primo, causando una corrosione accelerata. Pertanto, quando si progetta una struttura mista di titanio e metalli dissimili, è necessario evitare il contatto diretto o adottare misure di isolamento e protezione catodica.

L'assorbimento di idrogeno e l'infragilimento da idrogeno sono anche possibili meccanismi di guasto dei materiali in titanio in determinate condizioni. Il titanio assorbe facilmente gli atomi di idrogeno e forma idruri in presenza di fonti di idrogeno attive come soluzioni alcaline ad alta temperatura o fluoruri acidi. Quando l'idrogeno supera il suo limite di solubilità solida, il titanio perde la sua tenacità e si incrina, il che può portare alla rottura o al cedimento del materiale nei casi più gravi.

Confronto della resistenza alla corrosione tra titanio e alluminio

Applicazioni tipiche del titanio nelle industrie altamente corrosive

Industria dei cloro-alcali e degli acidi

Nei sistemi di cloro-alcali, elettrolisi e produzione di acidi, il titanio può resistere a forti mezzi corrosivi come ioni cloruro ad alta concentrazione, acido nitrico e acido cloridrico ed è ampiamente utilizzato in celle elettrolitiche, scambiatori di calore, tubazioni di circolazione dell'acido e altre apparecchiature. Rispetto ai metalli tradizionali, i materiali in titanio hanno una maggiore stabilità, una maggiore durata e minori costi di manutenzione in questi ambienti.

Desalinizzazione dell'acqua di mare e ingegneria navale

Il titanio è altamente resistente ai cloruri, all'erosione della sabbia e all'attaccamento degli organismi marini nell'acqua di mare ed è un materiale ideale per apparecchiature di desalinizzazione, condensatori, pompe e valvole e strutture marine. In ambienti ad alta velocità e ad alta salinità, il titanio non soffre quasi mai di vaiolatura o corrosione interstiziale, garantendo un funzionamento affidabile a lungo termine dell'apparecchiatura.

Energia nucleare

Nei sistemi di energia nucleare, il titanio può resistere ad alte temperature, alte pressioni e refrigeranti corrosivi e ha una buona resistenza alle radiazioni. Viene spesso utilizzato in tubi di scambio termico di grado nucleare, parti di supporto strutturale e sistemi di tubazioni per garantire il funzionamento sicuro e stabile delle apparecchiature in condizioni di lavoro difficili.

Quali servizi di protezione dalla corrosione offre Chalco per i prodotti in titanio?

Rinforzo della lega

Chalco migliora la resistenza alla corrosione del titanio mediante lega. Dopo aver aggiunto elementi come palladio, nichel e molibdeno, la stabilità del titanio in ambienti riducenti acidi e ad alto contenuto di cloruro è notevolmente migliorata. Ad esempio, la lega titanio-palladio ha prestazioni eccellenti in acido cloridrico e acido solforico ed è ampiamente utilizzata nell'industria chimica, nella metallurgia, nel trattamento delle acque di mare e in altri campi.

Controllo ambientale

In determinate condizioni di lavoro, Chalco può fornire raccomandazioni per l'uso di inibitori di corrosione per stabilizzare il film passivo sulla superficie del titanio e ridurre il tasso di corrosione regolando la composizione del mezzo. Questa strategia è adatta per i sistemi di raffreddamento dell'acqua, i flussi di processo a circuito chiuso e altri scenari in cui è scomodo sostituire i materiali.

Trattamento superficiale dei metalli preziosi

Per i sistemi con ambienti elettrochimici forti o ad alto rischio di corrosione, Chalco è in grado di fornire soluzioni per il trattamento delle superfici dei metalli preziosi. Depositando metalli preziosi come il platino o il palladio sulla superficie del titanio, è possibile migliorare ulteriormente la stabilità e la capacità di rigenerazione del film di passivazione, ampiamente utilizzato nei cloro-alcali, nell'elettrolisi e nei sistemi marini.

Trattamento di ossidazione termica

Chalco è in grado di eseguire un trattamento di ossidazione termica sui materiali in titanio per formare un film di ossido spesso e denso sulla loro superficie, migliorandone la resistenza alla corrosione in fase di alta temperatura, vapore acqueo e gas acido. È adatto per alte temperature e alte occasioni di corrosione come torri e apparecchiature di scambio termico.

Protezione anodica

In apparecchiature a funzionamento continuo o grandi strutture in titanio, Chalco può assistere i clienti nella creazione di un sistema di protezione anodica per mantenere il titanio a un potenziale passivo attraverso la corrente impressa, ritardando così efficacemente la corrosione. Questo metodo è adatto per la protezione di parti chiave in settori come quello petrolchimico, dell'elettrolisi e del trattamento delle acque.