Коррозионные свойства титана и его сплавов

 Главный «враг» титана – плавиковая кислота (HF). Даже в 1%-ном ее растворе скорость коррозии титана очень высока, а в более концентрированных растворах титан «тает», как лед в горячей воде. Фтор – этот «разрушающий все» (греч.) элемент – бурно реагирует практически со всеми металлами и сжигает их.  
Не может противостоять титан кремнефтористоводородной и фосфорной кислотам даже слабой концентрации, перекиси водорода, сухим хлору и брому, спиртам, в том числе спиртовой настойке йода, расплавленному цинку. Однако стойкость титана можно увеличить, если добавить различные окислители – так называемые ингибиторы, например, в растворы соляной и серной кислот – азотную и хромовую. Ингибиторами могут быть и ионы различных металлов в растворе: железо, медь и др.  
В титан можно вводить некоторые металлы, повышающие его стойкость в десятки и сотни раз, например до 10% циркония, гафния, тантала, вольфрама. Введение в титан 20–30% молибдена делает, этот сплав настолько устойчивым к любым концентрациям соляной, серной и других кислот, что он может заменить даже золото в работе с этими кислотами. Наибольший эффект достигается благодаря добавкам в титан четырех металлов платиновой группы: платины, палладия, родия и рутения. Достаточно всего 0,2% этих металлов, чтобы снизить скорость коррозии титана в кипящих концентрированных соляной и серной кислотах в десятки раз. Следует отметить, что благородные платиноиды влияют лишь на стойкость титана, а если добавлять их, скажем, в железо, алюминий, магний, разрушение и коррозия этих конструкционных металлов не уменьшаются.  

 

Влияние легирующих элементов  в титане на коррозионную стойкость

Все присутствующие в титане легирующие элементы по коррозионной стойкости можно разделить на четыре группы.

К первой группе относятся легко пассивирующиеся  элементы, повышающие коррозионную стойкость титана за счет торможения анодного процесса (в различной степени и в зависимости от природы среды). К этой группе относятся следующие наиболее важные легирующие: Мо, Та, Nb, Zr, V (расположены в порядке убывания благоприятного воздействия на коррозионную стойкость).

Ко второй группе металлов, оказывающих сходное влияние  на коррозионную стойкость титана, относятся Cr, Ni, Mn, Fe. Эти элементы, некоторые из которых сами являются коррозионностойкими (Cr, Ni), хотя и не сильно, но снижают коррозионную стойкость титана, особенно в неокислительных кислотах по мере повышения легирования титана.

К третьей группе легирующих элементов, имеющих общие  черты влияния на коррозионную стойкость  титана, относятся Al, Sn, О, N, С. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях. В нейтральных средах алюминий (до 5% Al) хотя и оказывает отрицательное влияние, но оно невелико. Понижение коррозионной стойкости при легировании алюминием связано с облегчением анодного и катодного процессов вследствие изменения химической природы пассивных пленок.

К четвертой  группе легирующих элементов, однотипно  влияющих на коррозионную стойкость  титана, относятся металлы с низким сопротивлением катодному процессу. По возрастанию эффективности воздействия на титан эти элементы располагаются в следующий ряд: Си, W, Мо, Ni, Re, Ru, Pd, Pt.

Доказано, что  введение в титановые сплавы таких  элементов, как молибден, ниобий, цирконий, тантал не лимитируется по количеству. Они повышают коррозионную стойкость, способствуют увеличению прочности.

 

Электрохимическая коррозия под действием  внутренних макро- и  микрогальванических  пар

Раньше электрохимическую  коррозию называли гальванической коррозией, так как разрушение металла происходит под действием возникающих гальванических пар.

Рассмотрим различные  случаи возникновения коррозионных гальванических пар.

1. Контакт с электролитом двух разных металлов в случае сочетания в одном узле или детали металлов различной активности в данной среде, или в случае применения сплава эвтектического типа из двух металлов разной активности.

2. Контакт металла и его соединения, обладающего металлообразными или полупроводниковыми свойствами. В любом случае свободный металл имеет отрицательный электрический заряд, а соединение — положительный заряд, так как в нем часть электронов проводимости связана. Это также справедливо и для интерметаллидов.

3. Различные концентрации электролитов или воздуха, растворенного в жидком электролите.

4. Различный уровень механических напряжений в одной и той же детали.

Рассмотрим более  подробнее последний случай возникновения  коррозионной гальванической пары. Коррозионные пары могут возникать при действии внешних или внутренних механических напряжений (остаточных напряжений, например при сварке). Если пластинку стали, дюраля или титанового сплава согнуть и в напряженном состоянии погрузить в коррозионную среду, то на растянутом слое (внешний) через относительно короткое время возникнут трещины (рис. 1), а внутренний сжатый слой будет оставаться без изменений. Растягивающие усилия особенно опасны, так как в этом случае металл повышает свою активность.

 

Рисунок 1 - Коррозия пластинки в напряженном состоянии

Если согнутую упруго пластинку (см. рис. 1) термически обработать и упругие деформации перейдут в пластические (явление релаксации), то разности потенциалов не возникает. Таким образом, при изготовлении деталей и узлов машин для снятия остаточных напряжений всегда следует термически обрабатывать изделия, если эти изделия предназначены для работы в сильно коррелирующих средах.

С этой целью в ИПСМ РАН при изготовлении тонких листов СМК - сплава ВТ6, полученных  изотермической прокаткой, для более полного снятия остаточных напряжений и формирования зеренной структуры применяется крип-отжиг, который заключается в следующем: листы укладываются стопой между плоскими бойками и прижимаются под давлением 3-5 МПа при температуре 550 ˚С. После 20 мин выдержки нагрев выключается, и пакет остывает вместе со штамповым блоком в течение 12 часов.

 

  Особенности взаимодействия титана с воздухом.

      Воздух, представляющий собой смесь различных  газов, является сложной газовой  фазой, воздействие которой на титан может быть весьма многообразным. При этом взаимодействие титана с кислородом воздуха отличается от взаимодействия титана с чистым кислородом, так как на это взаимодействие оказывает влияние азот и другие составные части воздуха.  Вместе с тем следует иметь в виду, что при всей сложности газовой фазы (воздуха) воздействие ее на титан следует рассматривать прежде всего как реакцию взаимодействия с ним самой активной и довольно значительной по количеству составляющей – кислорода. 

 

Взаимодействие  титана с кислородом.

      При взаимодействии титана с кислородом происходит образование различных  фаз химических соединений и твердых  растворов.

      При достаточно низких температурах взаимодействие титана с кислородом ограничивается адсорбцией. Начальная теплота адсорбции кислорода на титане при 25^ОС составляет 989 кДж/моль; начальный коэффициент прилипания равен 1;0,8 и 0,67 при температурах  -196; 25 и 300^ОС соответственно. При дальнейшем взаимодействии на поверхности титана образуется оксидная плёнка.

      В соответствии с термодинамическими расчетами оксидная пленка на титане должна состоять из слоев оксидов в последовательности:

             Ti₆O®Ti₃O®Ti₂O®Ti₃O₂®TiO®Ti₁₃O₅®TiO₂

В действительности при окислении титана при температурах ниже 300^OС оксидные слои состоят в основном из Ti₃O₅, при окислении в интервале температур 400-800^OС образуется преимущественно рутил TiO₂, а при температурах выше 800^OС обнаружены оксиды TiO и Ti₂O₃. Согласно работе, окисление титана на воздухе и в кислороде до температур £ 600-650°С сопровождается образованием на образцах тонких оксидных пленок толщиной »0,1 мкм. Долей кислорода, растворенного в металлической основе при температурах ниже 450-500°С, по-видимому,   можно пренебречь.

     В работе [5] взаимодействие титана с кислородом описано следующим образом. Через возникающую на первых стадиях процесса пленку двуокиси титана TiO₂ осуществляется диффузия кислорода к границе раздела пленка-металл, где происходит химическая реакция и дальнейший рост толщины пленки. Слой низших окислов титана, который должен присутствовать между слоем двуокиси и металлом, оказывается очень тонким и обычно не влияет на характер окисления. Скорость диффузии ионов титана через пленку по сравнению со скоростью диффузии титана очень мала. Однако при повышении температуры диффузия титана несколько увеличивается.

     При небольшой продолжительности процесса, когда толщина пленки еще невелика, количество поступающего через пленку кислорода оказывается достаточным  для окисления всего титана до двуокиси его. Вместе с тем по мере увеличения толщины пленки количество поступающего в зону кислорода уменьшается, а поступление титана остается постоянным, так как реакция происходит на границе раздела пленка-металл. В результате этого  при достижении определенной толщины слоя окалины соотношение количеств титана и кислорода в зоне реакции становится таким, что между TiO₂ и металлом образуется слой TiO. Появление его ослабляет сцепление окалины с металлом, которая под действием сжимающих напряжений деформируется и отслаивается, обнажая поверхность металла и обеспечивая скачкообразное увеличение скорости окисления. Однако возросшее поступление кислорода при отслаивании окалины приводит к окислению TiO до TiO₂ и описанный выше процесс повторяется.

 

Газонасыщение титановых сплавов при окислении

      Взаимодействие титана с кислородом сопровождается двумя параллельно идущими процессами: образованием оксидов и растворением кислорода в металлической основе.

      При температурах ниже 882⁰С и нормальном давлении титан имеет гексагональную плотно упакованную решетку - a-Ti. Решетка a-Ti содержит четыре октаэдрических поры радиусом 0,414 r_ат.(0,60A) и восемь тетраэдрических пор радиусом 0,225 r_ат.(0,36A). Экспериментально установлено, что кислород, атомный радиус которого равен 0,60A растворяется в октапорах. Выше 882⁰С структура титана характеризуется объемноцентрированной решеткой - b-Ti. Решетка b-Ti содержит шесть октапор радиусом 0,115 r_ат.(0,22A) и двенадцать тетрапор радиусом 0,29r_ат.(0,41), то есть тетраэдрические пустоты в ОЦК-структуре более просторны. С позиций геометрии решеток a- и b-Ti растворение кислорода более благоприятно в высокотемпературной модификации.

      В образовавшемся диффузионном слое выделяют альфированный и переходный слои. Альфированный слой отличается по структуре от основного металла повышенным содержанием a-фазы, что легко оценивается металлографическим анализом, часто этот слой представлен одной a-фазой. Переходный слой по микроструктуре не отличается заметно от основного металла, но его наличие и глубину проникновения можно оценить по более высокой микротвердости по сравнению с основным металлом. 

Рисунок 2-Зависимость коэффициентов диффузии кислорода от температуры:

1. в a-титане; 2- в b-титане.

 

 

Газонасыщение поверхности титанового сплава ВТ6.

      В работе [6] проводилось исследование влияния газонасыщения на структуру и свойства титанового сплава ВТ6 на воздухе и в вакууме при температурах от 750 до 1200⁰С и выдержках 5,30,60,180 и 360 минут.

 Изменение  микротвердости от поверхности  вглубь образца в зависимости  от температуры и времени выдержки представлено на рис 3. Микротвердость снижается от поверхности внутрь образца при всех режимах газонасыщения.  

Рисунок 3 - Зависимость микротвердости титанового сплава ВТ6 от расстояния до поверхности после нагрева на воздухе в течение 1(а), 3(б) и 6(в)ч при 750(1), 950(2), 1050(3), 1200°С(4).

      Нагрев  сплава ВТ6 при сравнительно невысоких  температурах 750-800⁰С в течение 1ч приводит к повышению поверхностной микротвердости от H300 до H400. Увеличение температуры и времени выдержки значительно интенсифицирует процесс газонасыщения вследствие увеличения скорости диффузии, в результате поверхностная микротвердость сильно повышается (рис.3). Так, увеличение времени выдержки от 1 до 6ч  приводит при различных температурах к увеличению поверхностной микротвердости на H100-200.

      При повышении температуры и увеличении времени выдержки увеличивается  глубина газонасыщенного слоя (рис.4). Газонасыщенный слой формируется практически при выдержке в течение 1ч, а дальнейшее увеличение продолжительности газонасыщения мало влияет на глубину поверхностного газонасыщенного слоя.