Kenmerken en patronen van spleetcorrosie in titanium
Spleetcorrosie is een plaatselijk corrosieverschijnsel dat doorgaans voorkomt in nauwe- passende gaten. Deze gaten kunnen het gevolg zijn van constructief ontwerp (zoals flensverbindingen, pakkingoppervlakken, uitzettingen van buis-naar- buisplaten en bout- of klinknagelverbindingen) of als gevolg van kalkvorming en afzettingen die oppervlakken bedekken. Vroege studies suggereerden dat titanium geen spleetcorrosie ondergaat in zeewater- en zoutnevelomgevingen. Uit later onderzoek bleek echter dat titaniumapparatuur last kon hebben van spleetcorrosie in chloridemedia met hoge temperaturen (bijvoorbeeld zeewaterwarmtewisselaars), nat chloorgas (bijvoorbeeld natte chloorgasschalen-en-buiscondensors), oxidatieremmers-die zoutzuuroplossingen bevatten, mierenzuur en oxaalzuuroplossingen.
De spleetcorrosie van titanium wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder de omgevingstemperatuur, het chloridetype en de concentratie, de pH-waarde, de spleetgrootte en de geometrische vorm. Bovendien zijn spleten gevormd tussen titanium en niet-metalen materialen (zoals PTFE of asbest) gevoeliger voor spleetcorrosie dan spleten gevormd tussen titaniumoppervlakken.
Kenmerken en patronen van titaniumspleetcorrosie
1. Aanwezigheid van een incubatieperiode
Spleetcorrosie ondergaat doorgaans een incubatieperiode, waarvan de duur afhangt van verschillende factoren, zoals de omgevingstemperatuur, het chloridetype en de concentratie, de concentratie van het oxidatiemiddel, contactmaterialen, de pH van de oplossing en de afmetingen van de spleet. In natriumchlorideoplossingen verkorten een hogere concentratie chloride-ionen, een hogere temperatuur en een lagere pH de incubatieperiode, waardoor corrosie gevoeliger wordt.
2. Veranderingen in de samenstelling van de spleetoplossing
De samenstelling van de oplossing in de spleet verschilt van die van de bulkoplossing. Over het algemeen is de zuurstofconcentratie lager in de spleet, terwijl de concentraties van chloride- en waterstofionen hoger zijn, wat leidt tot een aanzienlijke daling van de pH (die tot onder de 1 kan dalen). Bovendien wordt de elektrodepotentiaal in de spleet negatiever, waardoor titanium actiever wordt. Elektrochemische onderzoeken geven aan dat de gevoeligheid voor spleetcorrosie van titanium de volgende volgorde heeft: Cl⁻ > Br⁻ > I⁻, wat betekent dat chloride-omgevingen het grootste risico vormen, in tegenstelling tot het putcorrosiegedrag van titanium.
3. Gelokaliseerde aard van corrosie
Spleetcorrosie treedt meestal op in specifieke gebieden binnen de spleet en niet over het gehele oppervlak. Zodra de incubatieperiode voorbij is, vordert de corrosie snel als gevolg van een autokatalytisch mechanisme, wat uiteindelijk leidt tot plaatselijke perforatie en falen.
4. Het fenomeen waterstofabsorptie
Tijdens spleetcorrosie wordt vaak waterstofabsorptie waargenomen, en microscopisch onderzoek kan naald-achtige hydriden in titanium aan het licht brengen. Naarmate het waterstofgehalte toeneemt, hopen oppervlaktehydriden zich op, waardoor de corrosie wordt versneld. Ondertussen diffundeert waterstof in het metaal, en interne hydrideprecipitatie kan dienen als scheurinitiatieplaats voor spanningscorrosiescheuren, waardoor het risico op materiaalverbrossing en breuk toeneemt.
5. Stadia van het corrosieproces
Titanium spleetcorrosie vindt plaats in twee fasen:
Incubatietijd: Aanvankelijk wordt zuurstof gelijkmatig binnen en buiten de spleet verbruikt door middel van kathodische reacties. Omdat de zuurstof in de spleet uitgeput raakt, vinden kathodische reacties alleen extern plaats, terwijl de anodische oplossing van titanium in de spleet domineert.
Actieve ontbindingsperiode: Door de voortdurende ophoping van titaniumionen in de spleet migreren chloride-ionen naar binnen om de ladingsbalans te behouden. Titaanionen hydrolyseren en vormen titaniumhydroxide (Ti(OH)₄), dat uitdroogt tot TiO₂. De hydrolysereactie verlaagt de pH, waardoor de passieve film verder wordt verstoord en de corrosie wordt versneld.
6. Invloed van spleetgeometrie
Spleetcorrosie wordt beïnvloed door geometrische factoren zoals spleetlengte, breedte en de verhouding tussen het interne en externe oppervlak. Experimentele resultaten tonen aan dat smalle spleten (breedtes kleiner dan 0,5 mm) aanzienlijk gevoeliger zijn voor corrosie dan bredere spleten. Deze effecten moeten worden bepaald door middel van specifieke experimentele onderzoeken in plaats van door theoretische voorspellingen.
7. Preventiemaatregelen
Om de corrosieweerstand van titanium bij het verminderen van anorganische zuren te verbeteren en de gevoeligheid voor spleetcorrosie te verminderen, worden titaniumlegeringen zoals Ti-Pd en Ti-Ni-Mo vaak gebruikt, omdat ze superieure prestaties bieden vergeleken met commercieel zuiver titanium, vooral Ti-Pd-legeringen. Bovendien kunnen de volgende oppervlaktebehandelingen de weerstand van titanium tegen spleetcorrosie verbeteren:
Palladium-coating: Het aanbrengen van een palladiumcoating op spleetgebieden verbetert de corrosieweerstand.
Thermische oxidatiebehandeling: Vormt een stabiele oxidelaag, waardoor de corrosieweerstand wordt verbeterd.
Anodische oxidatie: Verbetert de passivatiefilm, waardoor de corrosieweerstand toeneemt.
Conclusie
Titaniumspleetcorrosie wordt beïnvloed door omgevingsfactoren, de samenstelling van de oplossing en de spleetgeometrie, en verloopt via een incubatie- en actieve oplossingsfase. Door de autokatalytische aard van spleetcorrosie kan deze zich snel ontwikkelen zodra deze is geïnitieerd, wat kan leiden tot defecten aan de apparatuur. Voor omgevingen met een hoog-risico kan het selecteren van de juiste legeringsmaterialen, het optimaliseren van het structurele ontwerp en het toepassen van geschikte oppervlaktebehandelingen het risico op titaniumspleetcorrosie effectief verminderen.
