小知识 | 钛及钛合金的腐蚀

2022-11-29 09:55:18 来源：材料PLUS

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简介：钛（2022中国有色金属智库湘江论坛）是具有强烈钝化倾向的金属，在空气中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，即使因为某些原因膜遭破坏，也能迅速自动恢复。因此钛在氧化性、中性介质中具有优异的耐腐蚀性。

钛材的耐腐蚀特点

钛（2022中国有色金属智库湘江论坛）是具有强烈钝化倾向的金属，在空气中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，即使因为某些原因膜遭破坏，也能迅速自动恢复。因此钛在氧化性、中性介质中具有优异的耐腐蚀性。

由于钛的巨大钝化性能，在许多情况下与异种金属接触时，并不加快腐蚀，而可能加快异种金属的腐蚀。如在低浓度非氧化性的酸中，若将Pb、Sn、Cu或蒙乃尔合金与钛接触形成电偶时，这些材料腐蚀加快，而钛不受影响。而在盐酸中，钛与低碳钢接触时，由于钛表面产生新生氢，破坏了钛的氧化膜，不仅引起钛的氢脆，而且加快钛的腐蚀，这可能是由于钛对氢有高度的活性所致。

钛中的含铁量对某些介质中的耐腐蚀性能有影响，铁增多的原因除原材料的原因外，常常是焊接时沾污的铁渗入焊道，使焊道中局部含铁量增高，这时腐蚀具有不均匀的性质。使用铁件支撑钛设备时，铁钛接触面上的铁沾污几乎是不可避免的在铁沾污区腐蚀加速，特别是在有氢存在的情况下。当沾污表面的钛氧化膜发生机械损坏时，氢就渗入金属，根据温度、压力等条件，氢发生相应的扩散，这使钛产生不同程度的氢脆。因此钛在中等温度和中等压力和含氢系统中使用要避免表面铁污染。

钛还具有抗腐蚀疲劳稳定性。

钛耐缝隙腐蚀性能较好，尤其是Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金，因此Ti-0.3Mo-0.8Ni及Ti-0.2Pd合金广泛用于容器设备的密封面材料，以解决设备密封面缝隙腐蚀问题。

全面腐蚀

钛试样或工件表面发生均匀的腐蚀，形成一层厚度均匀的腐蚀产物，紧紧地依附于钛表面，一般不会随着时间的延长而向内扩展，但也有例外的情况。在许多腐蚀介质中，钛的腐蚀性能与带有保护层的其他金属（比如铝）的一样好或更好。钛的腐蚀通常是电解性质，所以腐蚀与电极电位及电动电流之间有一定的关系。阳极与阴极极化作用也对腐蚀机理及速度有强烈的影响。钛的电位在很大程度上取决于氧化膜的绝缘性能。因此，钛表面氧化膜的特性对其抗蚀性起着决定性作用。凡是能改善氧化膜致密性、增加氧化膜厚度、提高氧化膜绝缘性能的因素，都有助于抗蚀性的提高。反之，凡是降低氧化膜有效保护能力的任何因素，不管是机械的，还是化学的，都会使钛的抗蚀性急剧下降。

局部腐蚀

钛在大多数条件下的腐蚀都是局部性质的，且某一点的腐蚀程度与另一点的有较大差别。缝隙腐蚀、孔穴腐蚀、应力腐蚀开裂等都是局部腐蚀。缝隙腐蚀多发生于突缘或折边处以及堆积物附近缝隙间，缝隙过小或过大都不会发生。孔穴腐蚀是在开孔中发生的一种腐蚀，在有CI—、Br—、I—等离子存在时易发生这类腐蚀。应力腐蚀开裂是工件或试样在有拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下发生的一种腐蚀。

磨蚀

试样或工件在腐蚀性流动介质中发生的腐蚀形态，因受流体的机械作用，腐蚀加快，因流体能带走一部分或全部腐蚀产物，暴露新的表面，加快腐蚀。

异种金属接触腐蚀又称电偶腐蚀，在腐蚀环境中，放置2种不同电位的金属或结构件，在电短路的情况下，电位低的金属就会产生腐蚀。

吸H2或H2脆

在通常条件下，钛及钛合金（2022中国有色金属智库湘江论坛）中总含有H2，若从材料中提取H2，当提取量超过固溶极限时，将形成脆的氢化物，产生氢脆。

在大多数条件下，钛及钛合金的腐蚀是局部性质的，同时，某一点的腐蚀程度与另一点的腐蚀程度有很大差异。因此，对腐蚀的定量评价只能根据大量的统计材料，而不能凭几个试样的结果。评价腐蚀的另一个严重问题是以什么作为标准，很少采用质量损失，大都根据强度损失、表面外观变化或穿孔来判断腐蚀程度。一般来说，钛及钛合金的腐蚀进程缓慢。除非对所处条件完全不适应。为了正确地评价钛的使用性能，通常要进行几十天甚至数年的试验。钛及钛合金在许多场合中，一开始腐蚀较快，然后慢下来，最后往往只发生微弱的腐蚀。可是在一些场合下，钛合金在经过一段时间后会发生转变，组织与性能会发生急剧变化。因此，短时间的使用试验是不完全可靠的。快速使用试验方法很多，但一般来说，试验速度越快，结果的可靠性也越低。

钛属于热力学极不稳定的金属之一，其标准电极电位为-1.63V，表面上总覆盖着一层薄而致密的TiO2膜，因而钛及钛合金的稳定电位偏向正值，例如，钛在25℃海水中的稳定电位约为0.09V。电极电位大都是从热力学数据计算的，而且由于数据来源不同，可能会出现不同的数据，这是正常的。

钛及钛合金的表面总有一层薄薄的在空气中自然生成的氧化膜，其优异的抗蚀性就源于其表面总存在一层稳定的、附着性强的、保护性好的氧化膜。这层保护膜的抗蚀性可用P/B比值表示。P/B值大于1的才有保护性，否则，抗蚀性低，但也不可大于2.5，如大于此值，则氧化膜内的压应力增大，容易引起氧化膜破裂，抗蚀性下降，最佳值为1~2.5。

钛在大气或水溶液中会立即形成氧化膜，在室温大气中形成的膜厚为 1.2nm~1.6nm，并随时间延长而增长，70天后增大到5nm，545天可增厚到 8nm～9nm。人为强化氧化条件，例如加热，加氧化剂或阳极氧化等，可以加速氧化，增加膜厚，提高抗蚀性。

钛及钛合金表面上的氧化膜一般不是一种单一结构，其成分与结构与生成条件相关。通常，在氧化膜与环境的界面上大都为TiO2，而在氧化膜与金属界面上可能以TiO2为主，而中间为不同价态的过渡层，甚或是非化学当量的氧化物，这表示钛及钛合金（2022中国有色金属智库湘江论坛）的表面氧化膜为复杂的多层结构。至于它们的形成过程，也不能简单地理解为Ti与O2的直接反应而成。一些研究学者提出过种种形成机理，俄罗斯学者认为首先生成氢化物，然后于氢化物上形成纯的氧化膜。