Titano 4 ir 2 klasės atsparumo korozijai palyginimas
Titanium Grade 2 (komerciškai grynas titanas, CP Ti 2 laipsnis) ir Titanium Grade 4 (CP Ti Grade 4) yra plačiai naudojamos nelegiruoto titano rūšys, tačiau jų atsparumas korozijai skiriasi subtiliais, bet kritiškais būdais dėl priemaišų kiekio, deguonies lygio ir mechaninių savybių, o tai savo ruožtu turi įtakos jų elektrocheminiam stabilumui ir prisitaikymui prie aplinkos. Žemiau pateikiama išsami jų korozijos savybių analizė:
1. Pagrindinis komerciškai gryno titano korozijos mechanizmas
Visos komerciškai grynos titano rūšys priklauso nuo aspontaniškai susidariusi, tanki ir savaime{0}}gyjanti titano dioksido (TiO₂) pasyvi plėvelėapsaugai nuo korozijos. Šis oksido sluoksnis yra ne-akytas, chemiškai inertiškas ir gali greitai pasitaisyti, kai yra pažeistas oksiduojančioje aplinkoje, sudarydamas išskirtinio titano atsparumo korozijai pagrindą daugelyje pramoninių ir natūralių medžiagų. 2 ir 4 laipsnio skirtumai atsiranda dėl intersticinių elementų (deguonies, azoto, anglies, vandenilio) poveikio šios pasyvios plėvelės stabilumui ir medžiagos mikrostruktūriniam vientisumui.
2. Atsparumas korozijai įprastose aplinkose
(1) Bendroji oksidacinė ir neutrali terpė
Oksiduojančiose rūgštyse (pvz., praskiestoje azoto rūgštyje, chromo rūgštyje), neutraliuose elektrolituose (pvz., jūros vandenyje, gėlame vandenyje) ir atmosferos sąlygomis,2 ir 4 klasės pasižymi puikiu atsparumu korozijai, kurio korozijos greitis paprastai mažesnis nei 0,025 mm per metus (1 mpy) esant aplinkos temperatūrai. Jų pasyviosios plėvelės išlieka stabilios tokioje aplinkoje ir normaliomis eksploatavimo sąlygomis nė vienoje klasėje nėra didelės duobių, plyšių korozijos ar bendros korozijos.
Nedidelis skirtumas yra oksido plėvelės tankis: 4 laipsnio deguonies kiekis didesnis (0,18–0,25 masės %, palyginti su . 0.12–0,18 masės % 2 laipsnio). Didesnė deguonies koncentracija padidina TiO₂ sluoksnio kompaktiškumą, todėl 4 laipsnio pasyvioji plėvelė yra šiek tiek atsparesnė nedideliam mechaniniam dilimui arba cheminiams trikdžiams silpnai agresyvioje oksiduojančioje terpėje (pvz., praskiestoje azoto rūgštyje su chloro jonų pėdsakais). Tačiau šis pranašumas daugelyje standartinių programų yra nereikšmingas.
(2) Mažinanti rūgštinę aplinką
Redukuojančiose rūgštyse (pvz., druskos rūgštyje, sieros rūgštyje, fosforo rūgštyje), kai pasyvioji plėvelė linkusi suirti (dėl to, kad trūksta pakankamai oksiduojančių medžiagų, kad būtų išlaikytas TiO₂ stabilumas),2 klasė lenkia 4 klasę atsparumu korozijai. Mažesnis 2 laipsnio intersticinių priemaišų kiekis (ypač deguonies ir azoto) sumažina gardelės iškraipymą titano matricoje, todėl yra geresnis elektrocheminis stabilumas ne-oksiduojančiomis rūgštinėmis sąlygomis.
Pavyzdžiui, 5 % HCl esant 25 laipsnių temperatūrai 2 laipsnio korozijos greitis yra maždaug 0,05 mm per metus, o 4 laipsnio korozijos greitis padidėja iki 0,08–0,10 mm per metus; 10 % H₂SO₄ kambario temperatūroje, 2 laipsnis išlieka pasyvus su minimalia korozija, o 4 laipsnis gali patirti nedidelę bendrą koroziją su matomu paviršiaus spalvos pasikeitimu ilgą laiką veikiant. Taip yra todėl, kad aukštesni 4 laipsnio intersticiniai elementai padidina medžiagos elektrocheminį reaktyvumą, pagreitina vandenilio išsiskyrimą ir matricos tirpimą redukuojančioje aplinkoje.
(3) Chloro{1}}Aplinka, kurioje yra duobių ir plyšių korozija
Chlorido{0}}turtingose terpėse (pvz., jūros vandenyje, sūryme, pramoninėse nuotekose, kuriose yra didelė Cl⁻ koncentracija), taškinė ir plyšinė korozija yra pagrindiniai titano gedimo būdai.2 klasės atsparumas vietinei korozijai yra šiek tiek geresnis nei 4 klasėaukštoje-temperatūroje ir daug{1}}chloridų aplinkoje.
Kritinė duobių temperatūra (CPT) ir kritinė plyšio temperatūra (CCT) yra pagrindinės metrikos čia:
2 laipsnio CCT yra ~80–85 laipsnių 3,5 % NaCl tirpale, o 4 laipsnio CCT yra ~75–80 laipsnių;
10 % NaCl esant atmosferos slėgiui 2 laipsnio CPT viršija 100 laipsnių, o 4 laipsnio CPT yra apie 95 laipsnius.
Didesnis 4 laipsnio deguonies kiekis padidina mikrostruktūrinių defektų (pvz., išnirimų, intersticinių sankaupų) skaičių, kurie veikia kaip duobių atsiradimo vietos, kai pasyvioji plėvelė yra lokaliai pažeista chlorido jonų. Tačiau abi rūšys vis dar gerokai pranoksta daugumą nerūdijančio plieno chloridinėje aplinkoje-jų vietinis atsparumas korozijai išlieka puikus jūroje, naftos telkiniuose ir cheminio apdorojimo srityse, esant žemesnei nei 80 laipsnių temperatūrai.
(4) Aukštos{1}}temperatūros ir aukšto slėgio{2} aplinka
Aukštos{0}}temperatūros (150–300 laipsnių) aplinkoje, kurioje yra oksiduojančios arba neutralios terpės (pvz., aukšto -slėgio garai, karšta azoto rūgštis),4 klasė pasižymi didesniu atsparumu korozijai nei 2 klasė. Didesnis 4 laipsnio deguonies kiekis padidina pasyviosios TiO₂ plėvelės terminį stabilumą, neleidžiant plėvelei įtrūkti ar skilti šiluminio ciklo ar aukšto slėgio sąlygomis. Pavyzdžiui, 200 laipsnių 98% koncentruota azoto rūgštis (įprasta branduolinio perdirbimo terpė) 4 laipsnis palaiko korozijos greitį<0.01 mm/year, while Grade 2 may experience slight film thickening and a marginally higher corrosion rate (~0.015 mm/year) over long-term exposure. Additionally, Grade 4's better creep resistance at high temperatures reduces stress-corrosion cracking (SCC) risk in corrosive, high-stress environments, whereas Grade 2 is more prone to SCC under combined high temperature, corrosion, and tensile stress.
3. Specialūs korozijos scenarijai
(1) Atsparumas vandenilio trapumui
Vandenilio{0}}turinčiose aplinkose (pvz., katodinėse apsaugos sistemose, aukštos-temperatūros vandenyje, redukuojančiose rūgštyse) titanas sugeria vandenilį, todėl susidaro trapumas.2 klasė turi didesnį atsparumą vandenilio trapumui nei 4 klasėnes jo mažesnis intersticinis kiekis sumažina vandenilio difuzijos greitį matricoje. 4 laipsnio tankesnė gardelė (dėl didesnio deguonies) leidžia greičiau patekti į vandenilį, padidindama hidrido susidarymo ir trapios lūžimo riziką, kai ilgai -veikia vandenilis-.
(2) Šarminė aplinka
In strong alkaline media (e.g., NaOH, KOH solutions), both grades display good corrosion resistance, as the TiO₂ film reacts to form soluble titanates only at very high concentrations (>50% NaOH) and temperatures (>100 laipsnių). Tokiomis ekstremaliomis šarminėmis sąlygomis,2 klasė turi šiek tiek mažesnį korozijos laipsnįnei 4 klasė, tačiau skirtumas yra minimalus ir retai turi įtakos praktiniam pritaikymui.
4. Korozijos efektyvumo kompromisų santrauka
| Korozijos aplinka | 2 laipsnio privalumas | 4 laipsnio privalumas |
|---|---|---|
| Redukuojančios rūgštys (HCl, H2SO4) | Mažesnis bendras korozijos greitis, geresnis stabilumas | Nėra |
| Chloridinė terpė (lokalizuota korozija) | Didesnis CCT / CPT, sumažinta įdubimų / plyšių rizika | Nėra |
| Vandenilio{0}}turinčios aplinkos | Mažesnė vandenilio difuzija, geresnis atsparumas trapumui | Nėra |
| Aukštos{0}}temperatūros oksidacinės terpės (karšta azoto rūgštis, garai) | Nėra | Stabilesnė pasyvioji plėvelė, mažesnė šliaužimo{0}}korozijos rizika |
| Bendroji aplinkos / neutrali laikmena | Atitinka 4 klasę | Atitinka 2 klasę |
Apibendrinant galima pasakyti, kad 2 klasė yra tinkamiausias pasirinkimas redukuojančiose rūgštyse, aplinkoje, kurioje gausu chlorido, taikant griežtus vietinius korozijos reikalavimus ir esant vandenilio{2}}scenarijai. 4 klasė labiau tinka aukštoje -temperatūroje oksiduojančioje ar didelio- įtempimo korozinėje aplinkoje, kur jo termiškai stabili pasyvioji plėvelė ir padidintas mechaninis stiprumas (kartu su priimtinu atsparumu korozijai) užtikrina geresnį bendrą veikimo balansą.
