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钛金属材料耐腐蚀性能浅析

[ 信息发布:本站 | 发布时间:2022-01-06 | 浏览:385次 ]

钛金属比重小、比强度高,在一般环境和特定环境下,有着优良的耐腐蚀性能,比常见金属具有良好的综合性能。被广泛应用于化工、航天航空、医疗器械以及生活用品等领域。

钛金属在熔炼时通过添加合金元素被合金化后,其强度、耐腐蚀性能等将会大大提高,常用代表性钛合金有Ti6AL4V(TC4),钛钯合金(TA9)等。

1、钛及钛合金材在中性或弱酸性条件下的耐蚀性能

钛及钛合金材在中性或弱酸性的氧化物溶液中有高度的稳定性,具有良好的耐腐蚀性能。在100℃FeCL、100℃CuCL2、100℃HgCL(所有浓度)中、60%的AlCL2及100℃的所有浓度NaCL中都很稳定,不会被这些金属盐溶液或结晶体腐蚀。钛在许多其他金属的氧化物中也是稳定的,如在100%一氧乙酸和100%二氧乙酸中均表现出良好的稳定性。因而在制盐制碱以及上述溶液的运输存放中,广泛使用钛及钛合金材料制造容器等。

钛及钛合金在氧化剂溶液中也有高度的稳定性,如:在100℃的次亚氯酸钠溶液、双氧水、含有过氧化氢、氢氧化钠溶液中均很稳定,不会被腐蚀。

2、钛及钛合金在湿润氯气中的耐蚀性

钛及钛合金在湿润氯气中的耐蚀性超过其他常用金属。氯气具有强烈的氧化作用,钛及钛合金在湿润氯中表面可形成一层氧化膜起到很好的保护作用(通常说成表面钝化),使钛金属在湿润氯气环境中处于稳定状态。为了维持钛在氯气中的钝化稳定性,需要氯气有一定的含水量。耐腐蚀专家研究临界含水量与氯气压力、流速、温度等因素的关系时,文献资料显示,钛在氯气中钝化的临界含水量是不一致的,一般认为,质量分数为0.01%~0.05%可作为钛在氯气中的临界含水量,但是实际经验指出,为了保证钛设备在氯气中安全使用,有时水质量分数为0.6%也不够,需要高达1.5%。临界含水量还随氯气温度升高及气流速度降低而相应增加,也与钛设备或零部件的形状尺寸以及钛表面机械损坏程度有关,实践表明,钛和钛合金的表面氧化膜遭到破坏后,需要较高的含水量才能使钛和钛合金重新钝化。

钛及钛合金在干氯气中,甚至在0℃以下也会发生剧烈反应生成四氯化钛,并有着火危险。钛及钛合金在氯气中的稳定性一但被破坏,与干氯气发生化学反应,再加入水也不能阻止反应的进行。工业上利用这一特性将钛及钛合金边角料与干澡的氯气发生反应来制取四氯化钛。室温下四氯化钛是液体,性质稳定,其沸点为136℃,是生产海绵钛的主要工业原料。

关于钛与氯气反应的干、湿临界区是一个相对复杂而动态变化的问题。根椐热力学分析,钛与氯在室温条件下是不能以平衡状态存在,氯气中水含量临界区一但突破,就会发生剧烈反应。根据热力学自由能分析,钛与氯反应生成四氯化钛,这个反应过程是放热反应。如果氯气处于干燥状态,释放大量的热量使反应温度升高,当温度达到金属钛的熔点时,钛开始燃烧。此后,只要有足够的干氯,反应将剧烈进行,直到反应物耗尽。但是,如果氯气中有足够的水分,四氯化钛会与水作用生成氢氧化钛,它是一种非挥发性的物质,而且在钛的表面形成一层牢固的膜,能起到保护作用,而且表面膜在湿氯中极为稳定。因而钛在湿氯中具有优异的耐蚀性,其稳定性与氯气中含水量密切相关。

3、钛及钛合金在强酸与弱酸中的性质

在稀盐酸、硫酸和磷酸中,钛溶解的比铁缓慢的多。随着浓度的增加,特别是在温度升高时,钛溶解的速度会显著加快,在氢氟酸和硝酸的混合物中钛溶解得很快。

硝酸是一种强氧化性酸,钛在硝酸中,其表面可形成一层致密的氧化膜,随着硝酸浓度的提高,这层表面膜呈现出微黄、淡黄、土黄、棕黄等多种氧化色彩。氧化膜的完整性是维持钛金属不被腐蚀的必要条件,这使钛在硝酸中具有十分优良的耐腐蚀性。钛在高温硝酸中的的腐蚀速率随着硝酸溶液的温度升高而增大,温度在190~230℃,浓度在20%~70%之间,其腐蚀速率最高可达近10mm/a。但是硝酸溶液中加人少量含硅化合物,可抑制高温硝酸对钛的腐蚀。例如,在40%的高温硝酸溶液中加入聚硅氧烷油后,腐蚀速率可降低到几乎等于零。也有资料介绍,在500℃以下,钛在40%~80%的硝酸溶液和蒸气中具有高度的耐蚀性。相反,在硝酸中加入磷化物则导致钛腐蚀加速,利用钛的这一特性可以配制它的酸洗液。

硫酸是强氧化性酸,钛对低温低浓度的硫酸溶液有一定的耐腐蚀能力,在0℃时,可耐浓度达20%的硫酸腐蚀,随着酸的浓度和温度的升高,腐蚀率增加。因此钛在硫酸中的稳定性差,钛只能耐5%的硫酸腐蚀,在100℃下,钛只能耐0.2%的硫酸腐蚀,氯对钛在硫酸中的腐蚀有抑制作用。但在90℃,硫酸浓度为50%时,氯反而引起钛腐蚀加速,甚至引起着火。钛在硫酸中的耐腐蚀性可通过向溶液中通入空气、氮气或添加氧化剂、高价重金属离子来改善。能起缓蚀作用的主要添加剂是高价铁、高价铜、铬酸银、二氧化锰、硝酸、氯气,以及有机缓蚀剂如亚硝基化合物,醌和蒽醌衍生物还有某些络合型缓蚀剂。总体来说,钛在硫酸中无太大的实用价值。

盐酸是还原性酸,钛在盐酸中,即使在室温下,它的稳定性也比较差。腐蚀率随酸溶液的浓度和温度的升高而逐渐增加。因此,钛材一般适应于常温3%和100℃0.5%的盐酸溶液中工作,钛虽然不耐盐酸溶液的腐蚀,但也可通过合金化,阳极钝化和添加缓蚀剂等方法来提高钛材对盐酸的耐腐蚀能力。钛的最有效无机化合物类缓蚀剂有重铬酸钾、次氯酸钠、氯气、氧以及高价重金属离子和少量的贵金属离子等;有机类缓蚀剂有:氧化性有机化合物,偶氯化合物、醌和蒽醌衍生物、杂环化合物、络合型缓蚀剂,所以在生产实践中,仍有使用价值。

磷酸也属于还原性酸。钛在磷酸中的腐蚀率比盐酸或硫酸低,但比硝酸高。钛一般适用于20℃30%或35℃20%的磷酸。钛在磷酸中的耐蚀随酸浓度与温度的升高而渐增,钛在磷酸中发生如下腐蚀反应,即2Ti+2HP04=2TiP04+H2。

与钛在硫酸、盐酸中的情况相似,磷酸中加入氧化剂或其他缓蚀剂有利于改善钛在磷酸中的耐蚀性。银、汞也有利于改善钛在磷酸中的耐蚀性。

氢氟酸和氟硅酸是最强的腐蚀介质,即使在常温极稀的氢氟酸中,钛也会遭到剧烈的腐蚀。钛不仅在氢氟酸中遭到迅速腐蚀,而且在含氟的酸性介质(如氟硅酸、氟硼酸)中亦会遭到强烈腐蚀。钛被氢氟酸腐蚀反应后会出现多孔状腐蚀产物,因而腐蚀速度加快。钛在与氢氟酸与盐酸或硫酸的混酸中更易溶解。除因浓酸与金属相互作用使钛腐蚀外,F-离子Ti+4的络合作用加速了钛的溶解,这一络合作用钛在其他酸,如氢溴酸、高氯酸、甲酸、乙酸中加入少量可溶性氟化物后,会使钛的腐蚀率增加几十倍。在氢氟酸中尚没找到理想的缓蚀剂。

钛在质量分数小于25%的甲酸中会受到严重腐蚀,在含乙酸酐的溶液中,钛不仅受到严重的腐蚀,而且会产生孔蚀。但有机酸中除了甲酸、草酸和相当浓度的柠檬酸之外,钛不会被其他的有机酸腐蚀,例如在乙二酸、丁酸、乳酸、顺丁烯二酸、羟基丁二酸(苯果酸)、丹宁酸和酒石酸等有机酸中,钛的耐蚀性很强。钛及钛合金在汽油、甲苯、苯酚、甲醛、三氯乙烷、醋酸、柠檬酸、一氯代乙骏等中具有较好的耐腐蚀性。许多有机合成过程中所接触的复杂有机介质,如在生产环氧丙烷、苯酚、丙酮、氯代乙酸等化学介质,钛及钛合金的耐蚀性优于不锈钢阳其他结构材料。

4、钛在碱中的耐蚀性能

在稀碱溶液中(浓度低于20%),钛是稳定的;在较浓的碱溶液中,特别当加热时,可与碱液缓慢地作用生成钛酸盐。

钛在大多数碱溶液中具有良好的耐腐蚀性能,腐蚀速率随着溶液的浓度和温度而渐增。在碱溶液中有氧、氨或二氧化碳存在时,会加速钛的腐蚀,在含有过氧化氢的碱溶液中,钛的耐腐蚀性很差。但在氢氧化钠溶液中钛有较强的耐腐蚀能力,如钛在130℃、73%氢氧化钠溶液中的腐蚀速率仅为0.18mm/a。钛与其他金属所不同的是它在氢氧化钠溶液中不会产生应力腐蚀,但长期暴露会产生氢脆,钛的氢脆问题不可忽视,因此,钛在苛性碱和其他浓度碱溶液中使用温度应是≤93.33℃。

综上所述,不难看出钛是化学工业中最耐蚀、最有前途的耐蚀金属材料。特别值得指出的是,它在动、静海水和海洋性大气环境中有良好的耐蚀能力,超过了不锈钢对海水的耐蚀能力,因此钛是海工装备和海水处理工程制造业中,大量选用的质轻且耐蚀性能优良的金属结构材料。(智勝采编)




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