Resistência à corrosão de titânio

Entre muitos materiais metálicos, o titânio se destaca por sua excelente resistência à corrosão. Seja em um ambiente marinho de alta salinidade ou em um meio químico com ácido ou álcali forte, o titânio pode manter uma estrutura estável e integridade da superfície por um longo tempo. Essa vantagem única torna o titânio o material preferido na indústria aeroespacial, engenharia naval, equipamentos químicos e outros campos.

O princípio de resistência à corrosão do titânio

A resistência à corrosão do titânio vem de um filme de óxido denso e estável ( TiO ₂ ) que se forma espontaneamente em sua superfície. Embora o potencial padrão do eletrodo de titânio seja de –1,63 V, que é termodinamicamente instável, após exposição ao ar ou à água, seu potencial de superfície se estabiliza em cerca de +0,09 V (25°C de água do mar), formando um filme de passivação altamente aderente e auto-regenerativo que bloqueia efetivamente o oxigênio, a umidade e os íons corrosivos.

do filme de óxido é de 1-2,5, o que garante que ele possa cobrir completamente a superfície do metal e não seja fácil de quebrar. A espessura do filme pode crescer naturalmente de 1,2-1,6 nm iniciais a cerca de 9 nm (545 dias) e também pode ser engrossada por anodização e outros métodos. Portanto, o filme de óxido gerado pela anodização e oxidação térmica melhorará significativamente a resistência à corrosão do titânio.

Resistência à corrosão do titânio em diferentes meios

Ácido inorgânico

O titânio tem excelente resistência à corrosão na maioria dos ácidos inorgânicos oxidantes, especialmente em meios como ácido nítrico, ácido crômico, ácido hipocloroso e ácido perclórico. Isso se deve à estabilidade de seu filme de passivação de superfície, que pode se autocurar e manter a resistência à corrosão mesmo em altas temperaturas. Tomando o ácido nítrico como exemplo, o titânio não apresenta sinais de corrosão no uso prolongado em ácido nítrico em uma concentração de 60% a até 193°C, tornando-o um material metálico ideal em sistemas de ácido nítrico.

Em contraste, na redução de ácidos como ácido sulfúrico, ácido clorídrico e ácido fosfórico, a resistência à corrosão do titânio puro é relativamente baixa, o filme de passivação é facilmente destruído e a taxa de corrosão aumenta significativamente com o aumento da temperatura e da concentração de ácido. Por exemplo:

• De menos de 5% em ácido sulfúrico à temperatura ambiente com ar fluindo através dele .
• Ao ácido clorídrico abaixo de 7% à temperatura ambiente;
• A resistência à corrosão do ácido fosfórico diminui com o aumento da temperatura e só pode suportar concentrações abaixo de 2% a 100 °C.

No entanto, a adição de íons de metais pesados (como Fe, Ni,, Mo) ou ligas (como liga de titânio-paládio, liga de titânio-níquel-alumínio) pode melhorar significativamente sua resistência à corrosão na redução de ácidos. Por exemplo, a liga de titânio-paládio pode suportar até 27% de solução de ácido clorídrico à temperatura ambiente.

Portanto, quando o equipamento de titânio é usado em um ambiente de ácido inorgânico, a propriedade oxidante, a temperatura, a concentração do ácido e se os inibidores de corrosão podem ser introduzidos ou o reforço da liga pode ser usado devem ser considerados de forma abrangente para garantir a vida útil e a estabilidade.

Ácidos orgânicos e compostos orgânicos

O titânio apresenta excelente resistência à corrosão na maioria dos compostos orgânicos, o que se deve principalmente ao seu filme de passivação estável na superfície. A resistência à corrosão do titânio a ácidos orgânicos está intimamente relacionada à propriedade redox do meio e geralmente é estável sob condições oxidantes ou permeáveis ao ar. Apenas alguns meios altamente redutores, como ácido fórmico quente, ácido oxálico quente e ácido tricloroacético concentrado sem ar, podem causar corrosão do titânio, mas uma vez que o oxigênio é introduzido, a taxa de corrosão será significativamente reduzida.

A umidade e o ar no meio orgânico ajudam a manter o estado passivo do titânio. Pelo contrário, sob condições de alta temperatura e anidra, a matéria orgânica pode se decompor e liberar hidrogênio, fazendo com que o titânio absorva hidrogênio e induza a fragilização por hidrogênio. Portanto, embora o titânio seja menos corrosivo em tais ambientes, sua sensibilidade à fragilização por hidrogênio e à corrosão sob tensão ainda deve ser observada quando usada, especialmente em sistemas fechados ou de alta temperatura.

Em aplicações práticas, o titânio pode suportar de forma estável uma variedade de ácidos orgânicos, como ácido acético, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido lático, etc., e tem sido usado com sucesso em meios de ácido tereftálico e ácido adípico a 204 ° C e concentração de 67%, demonstrando totalmente sua confiabilidade e durabilidade em ambientes químicos orgânicos e corrosivos.

Meio alcalino

O titânio exibe uma resistência à corrosão muito forte em meios alcalinos. Quer se trate de hidróxido de sódio, hidróxido de potássio ou soluções alcalinas comuns, como amônia, hidróxido de cálcio e hidróxido de magnésio, o titânio pode ser usado de forma estável por um longo tempo. Em estado de ebulição, mesmo em hidróxido de cálcio saturado, hidróxido de magnésio ou amônia, a taxa de corrosão do titânio é quase zero, mostrando resistência à corrosão extremamente alta.

Mesmo sob condições adversas, como em uma solução de hidróxido de sódio a 188 ° C e uma concentração de 50% a 73%, a taxa de corrosão do titânio geralmente não excede 1,09 mm / a, o que ainda é uma corrosão muito lenta. No entanto, neste ambiente de alta temperatura e alto alcalino, atenção especial deve ser dada ao problema da fragilização por hidrogênio. Estudos mostraram que quando a temperatura da solução excede 77°C e o valor do pH é superior a 12, o titânio pode absorver hidrogênio, causando fragilização por hidrogênio do material, afetando assim a segurança estrutural.

Portanto, embora o titânio tenha excelente resistência geral à corrosão em ambientes alcalinos, quando usado em condições alcalinas de alta temperatura e alta, o risco de fragilização por hidrogênio ainda precisa ser considerado de forma abrangente para garantir a confiabilidade do equipamento a longo prazo.

Cloro, cloretos e compostos contendo cloro

O titânio tem excelente resistência à corrosão em gás cloro úmido, soluções de cloreto e a maioria dos compostos contendo cloro. Em meios como clorato, hipoclorito, clorito e perclorato, o titânio pode manter um filme de passivação estável e é amplamente utilizado em plantas de branqueamento, equipamentos de cloro eletrolítico e sistemas de tratamento de águas residuais, mostrando boa estabilidade a longo prazo.

No entanto, em soluções de cloreto de alta temperatura e alta concentração, como ZnCl₂ , AlCl₃ e CaCl₂ , o titânio pode sofrer corrosão em frestas, especialmente quando entra em contato com materiais como politetrafluoretileno e forma fendas estreitas. Portanto, a formação de fendas deve ser evitada no projeto estrutural para reduzir o risco de corrosão.

O titânio é muito instável no cloro seco e pode reagir violentamente com o cloro para formar TiCl₄ , liberando uma grande quantidade de calor e até mesmo causando incêndio ou combustão espontânea. Somente quando houver água suficiente no cloro, o TiCl₄ hidrolisará em hidróxido de titânio estável, inibindo a combustão do titânio.

A pesquisa mostra que o teor mínimo de umidade necessário para o titânio puro industrial manter um estado passivo em um ambiente de cloro a 200 ° C é de cerca de 1,5%, enquanto à temperatura ambiente, apenas 0,3% a 0,4% de umidade é necessária para evitar a combustão espontânea. As ligas de titânio-paládio e as ligas de titânio-níquel-alumínio são mais estáveis em condições de baixa umidade e são adequadas para ambientes mais exigentes contendo cloro.

Bromo, iodo e flúor e seus compostos

A resistência à corrosão do titânio em ambientes de bromo e iodo é semelhante à do cloro. Contanto que haja uma certa quantidade de umidade no meio, a superfície de titânio pode manter um filme de passivação estável para evitar a corrosão. Portanto, o titânio geralmente pode ser usado com segurança em condições de gás bromo úmido ou compostos de iodo.

Em contraste, o titânio não tem boa resistência à corrosão no flúor e seus compostos. Especialmente em soluções de ácido fluorídrico ou flúor ácido, o titânio será corroído rapidamente, mesmo em baixas concentrações. Atualmente, quase não há inibidores de corrosão eficazes para evitar esse processo, portanto, o titânio não é adequado para uso em atmosferas contendo flúor ou ambientes relacionados ao ácido fluorídrico.

No entanto, se o flúor forma um complexo com íons metálicos ou é um fluorocarbono estruturalmente estável, essas formas especiais de flúor geralmente não corroem o titânio, com algumas exceções. Isso deve ser julgado com base na composição específica do meio no aplicativo de design.

Resistência à corrosão do titânio na água do rio e na água do mar

O titânio tem resistência à corrosão extremamente forte na água do rio e na água do mar, especialmente no ambiente da água do mar, sua resistência à corrosão é cerca de 100 vezes maior que a do aço inoxidável e é um dos materiais metálicos mais resistentes à corrosão na água natural. Mesmo em água do mar de alta temperatura de até 260 °C, o titânio ainda pode funcionar de forma estável. Em aplicações reais, por exemplo, condensadores de tubo de titânio têm sido usados em água do mar poluída há mais de 20 anos, e a superfície mudou apenas ligeiramente de cor sem corrosão óbvia.

O titânio tem boa resistência à corrosão por pites, fendas e impacto na água do mar, e também é insensível à corrosão sob tensão e à fadiga por corrosão. Na água do mar de alta velocidade (como 36,6 m/s), o efeito de limpeza é ligeiramente aumentado, mas ainda é melhor do que as ligas de cobre e as ligas de alumínio.

Quando há partículas como areia na água do mar, a erosão do titânio terá um certo impacto, mas o dano geral é relativamente leve. O titânio também possui excelente resistência à corrosão por cavitação na água do mar e é adequado para condições marítimas adversas.

Deve-se notar que a superfície dos materiais de titânio não é tóxica e não corrosiva, e pode facilmente se tornar um substrato para a fixação de organismos marinhos, o que pode levar a problemas como bioincrustação, e é um fator chave a ser considerado em aplicações marinhas.

Taxa de corrosão do titânio em diferentes meios

A taxa de corrosão do titânio puro industrial depende não apenas do tipo, concentração e temperatura do meio, mas também do estado do meio, como se é ventilado, se são adicionados compostos oxidantes ou redutores, etc.

Tipos de corrosão do titânio

O titânio tem uma forte resistência à corrosão em uma variedade de ambientes corrosivos devido ao seu filme de passivação estável. No entanto, a falha por corrosão ainda pode ocorrer sob meios, condições estruturais ou tensões específicas. De acordo com o escopo e a forma de corrosão, a corrosão do titânio pode ser dividida em duas categorias: corrosão geral e corrosão local.

Corrosão geral

A corrosão geral refere-se ao fenômeno de que o titânio se dissolve uniformemente na superfície em um meio corrosivo. Geralmente ocorre em um ambiente redutor forte, onde o filme passivo não pode ser formado ou é destruído, como ácido clorídrico concentrado de alta temperatura ou ácido fluorídrico. Esse tipo de corrosão é previsível e fácil de controlar, e o impacto na vida útil do equipamento pode ser gerenciado por meio do projeto da espessura da parede e da manutenção regular. Na maioria dos meios neutros ou fracamente corrosivos, o titânio dificilmente sofre corrosão geral, por isso é amplamente utilizado nos campos químico, marítimo e médico. .

Corrosão localizada

Em comparação com a corrosão geral, a corrosão local é mais destrutiva e geralmente ocorre e se expande rapidamente em áreas locais, o que pode facilmente causar perfuração, falha ou fratura repentina do equipamento. A corrosão local do titânio inclui principalmente os seguintes tipos típicos:

A corrosão em fendas é a corrosão do titânio em lacunas estruturais ou áreas estagnadas do meio, o que é comum em conexões de flange, vedações de juntas ou sob sedimentos. Devido à transmissão limitada de oxigênio, o filme passivo local falha e forma uma célula de corrosão, o que leva à acidificação e ao aumento da corrosão na área da fenda. Embora o titânio seja estável na maioria das águas do mar e industriais, pode ocorrer corrosão em fendas se os íons cloreto se acumularem na fenda.

A corrosão por pite é caracterizada pela corrosão por perfuração local, que geralmente ocorre na presença de íons halógenos como Cl⁻, Br⁻ e F⁻. Esses íons têm um efeito destrutivo no filme de passivação, fazendo com que a corrosão se concentre em uma pequena área e penetre rapidamente, formando poços de corrosão difíceis de detectar a olho nu, mas altamente destrutivos. O titânio precisa estar particularmente vigilante contra esse tipo de corrosão em ambientes como água do mar estática e soluções de cloreto.

A rachadura por corrosão sob tensão é uma forma de trinca e fratura frágil causada pela ação combinada de meios corrosivos e tensão de tração. Embora o titânio não seja propenso a tais rachaduras na maioria dos meios, algumas ligas de titânio podem ser suscetíveis à corrosão sob tensão em ambientes de alta temperatura contendo cloreto ou na presença de tensão residual.

A corrosão abrasiva é um fenômeno de corrosão causado pelos efeitos combinados da erosão mecânica e da corrosão eletroquímica. Em sistemas de resfriamento de água arenosa ou água do mar de alta velocidade, o filme de passivação de superfície de titânio pode ser destruído periodicamente devido à erosão, resultando em exposição local ao metal e corrosão acelerada. Isso deve receber atenção especial em trocadores de calor, condensadores e sistemas de tubulação.

A corrosão galvânica ocorre quando o titânio está em contato direto com outros materiais metálicos e há um meio condutor. Como o titânio tem um alto potencial de eletrodo, quando é conectado a metais como aço carbono e aço inoxidável, o metal com menor potencial se tornará o ânodo e se dissolverá primeiro, causando corrosão acelerada. Portanto, ao projetar uma estrutura mista de titânio e metais diferentes, o contato direto deve ser evitado ou medidas de isolamento e proteção catódica devem ser tomadas.

A absorção de hidrogênio e a fragilização por hidrogênio também são possíveis mecanismos de falha de materiais de titânio sob certas condições. O titânio absorve facilmente átomos de hidrogênio e forma hidretos na presença de fontes ativas de hidrogênio, como soluções alcalinas de alta temperatura ou fluoretos ácidos. Quando o hidrogênio excede seu limite de solubilidade sólida, o titânio perde sua tenacidade e rachaduras, o que pode levar à fratura ou falha do material em casos graves.

Comparação da resistência à corrosão entre titânio e alumínio

Aplicações típicas de titânio em indústrias altamente corrosivas

Indústria de cloro-álcalis e ácidos

Em sistemas de cloro-álcalis, eletrólise e fabricação de ácidos, o titânio pode resistir a meios corrosivos fortes, como íons cloreto de alta concentração, ácido nítrico e ácido clorídrico, e é amplamente utilizado em células eletrolíticas, trocadores de calor, tubulações de circulação de ácido e outros equipamentos. Em comparação com os metais tradicionais, os materiais de titânio têm maior estabilidade, vida útil mais longa e menores custos de manutenção nesses ambientes.

Dessalinização da água do mar e engenharia naval

O titânio é altamente resistente a cloretos, erosão de areia e fixação de organismos marinhos na água do mar, e é um material ideal para equipamentos de dessalinização, condensadores, bombas e válvulas e estruturas marítimas. Em ambientes de alta velocidade e alta salinidade, o titânio dificilmente sofre corrosão por pites ou frestas, garantindo uma operação confiável a longo prazo do equipamento.

Energia nuclear

Em sistemas de energia nuclear, o titânio pode suportar altas temperaturas, altas pressões e refrigerantes corrosivos e tem boa resistência à radiação. É frequentemente usado em tubos de troca de calor de grau nuclear, peças de suporte estrutural e sistemas de tubulação para garantir a operação segura e estável de equipamentos sob condições de trabalho adversas.

Quais serviços de proteção contra corrosão a Chalco oferece para produtos de titânio?

Reforço da liga

Chalco melhora a resistência à corrosão do titânio por liga. Após a adição de elementos como paládio, níquel e molibdênio, a estabilidade do titânio em ambientes com ácido redutor e alto teor de cloreto é significativamente melhorada. Por exemplo, a liga de titânio-paládio tem excelente desempenho em meios de ácido clorídrico e ácido sulfúrico e é amplamente utilizada na indústria química, metalurgia, tratamento de água do mar e outros campos.

Controle Ambiental

Em certas condições de trabalho, a Chalco pode fornecer recomendações para o uso de inibidores de corrosão para estabilizar o filme passivo na superfície de titânio e reduzir a taxa de corrosão ajustando a composição do meio. Essa estratégia é adequada para sistemas de água de resfriamento, fluxos de processo de circuito fechado e outros cenários em que é inconveniente substituir materiais.

Tratamento de superfície de metais preciosos

Para sistemas com ambientes eletroquímicos fortes ou altos riscos de corrosão, a Chalco pode fornecer soluções de tratamento de superfície de metais preciosos. Ao depositar metais preciosos como platina ou paládio na superfície do titânio, a estabilidade e a capacidade de regeneração do filme de passivação podem ser melhoradas ainda mais, o que é amplamente utilizado em cloro-álcalis, eletrólise e sistemas marítimos.

Tratamento de oxidação térmica

A Chalco pode realizar tratamento de oxidação térmica em materiais de titânio para formar um filme de óxido espesso e denso em sua superfície, aumentando sua resistência à corrosão em fases de alta temperatura, vapor de água e gás ácido. É adequado para ocasiões de alta temperatura e alta corrosão, como torres e equipamentos de troca de calor.

Proteção anódica

Em equipamentos de funcionamento contínuo ou grandes estruturas de titânio, a Chalco pode ajudar os clientes a estabelecer um sistema de proteção anódica para manter o titânio em um potencial passivo por meio de corrente impressa, retardando efetivamente a corrosão. Este método é adequado para a proteção de peças-chave em indústrias como petroquímica, eletrólise e tratamento de água.