Eigenschaften und Muster der Spaltkorrosion in Titan
Spaltkorrosion ist ein lokalisiertes Korrosionsphänomen, das typischerweise in eng anliegenden Spalten auftritt. Diese Lücken können durch strukturelle Konstruktionen (z. B. Flanschverbindungen, Dichtungsoberflächen, Rohr-zu--Rohrbodendehnungen und Schraub- oder Nietverbindungen) oder durch Kalkbildung und Ablagerungen auf Oberflächen entstehen. Frühe Studien deuten darauf hin, dass Titan in Meerwasser- und Salznebelumgebungen keiner Spaltkorrosion unterliegt. Spätere Untersuchungen ergaben jedoch, dass Titangeräte in Hochtemperatur-Chloridmedien (z. B. Meerwasserwärmetauschern), feuchtem Chlorgas (z. B. feuchte Chlorgas-Rohrbündelkondensatoren) und Oxidationshemmern enthaltenden Salzsäurelösungen, Ameisensäure und Oxalsäurelösungen unter Spaltkorrosion leiden können.
Die Spaltkorrosion von Titan wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter Umgebungstemperatur, Chloridtyp und -konzentration, pH-Wert, Spaltgröße und geometrische Form. Darüber hinaus sind Spalten zwischen Titan und nicht-metallischen Materialien (wie PTFE oder Asbest) anfälliger für Spaltkorrosion als solche zwischen Titanoberflächen.
Eigenschaften und Muster der Spaltkorrosion von Titan
1. Vorhandensein einer Inkubationszeit
Spaltkorrosion durchläuft typischerweise eine Inkubationszeit, deren Dauer von verschiedenen Faktoren wie Umgebungstemperatur, Chloridtyp und -konzentration, Oxidationsmittelkonzentration, Kontaktmaterialien, pH-Wert der Lösung und Spaltabmessungen abhängt. In Natriumchloridlösungen verkürzen eine höhere Chloridionenkonzentration, eine erhöhte Temperatur und ein niedrigerer pH-Wert die Inkubationszeit und machen Korrosion empfindlicher.
2. Änderungen in der Zusammensetzung der Spaltlösung
Die Zusammensetzung der Lösung im Spalt unterscheidet sich von der der Massenlösung. Im Allgemeinen ist die Sauerstoffkonzentration im Spalt niedriger, während die Chlorid- und Wasserstoffionenkonzentrationen höher sind, was zu einem deutlichen Abfall des pH-Werts führt (der unter 1 fallen kann). Darüber hinaus wird das Elektrodenpotential im Spalt negativer, wodurch Titan aktiver wird. Elektrochemische Studien zeigen, dass die Spaltkorrosionsanfälligkeit von Titan in der Reihenfolge Cl⁻ > Br⁻ > I⁻ verläuft, was bedeutet, dass Chloridumgebungen im Gegensatz zum Lochfraßverhalten von Titan das höchste Risiko darstellen.
3. Lokalisierte Natur der Korrosion
Spaltkorrosion tritt normalerweise in bestimmten Bereichen innerhalb des Spalts auf und nicht auf der gesamten Oberfläche. Sobald die Inkubationszeit endet, schreitet die Korrosion aufgrund eines autokatalytischen Mechanismus schnell voran und führt schließlich zu lokalen Perforationen und Ausfällen.
4. Phänomen der Wasserstoffabsorption
Bei Spaltkorrosion wird häufig eine Wasserstoffabsorption beobachtet, und bei der mikroskopischen Untersuchung können nadelartige Hydride im Titan sichtbar werden. Mit zunehmendem Wasserstoffgehalt reichern sich Oberflächenhydride an, was die Korrosion beschleunigt. Unterdessen diffundiert Wasserstoff in das Metall und die interne Hydridausfällung kann als Ausgangspunkt für Spannungsrisskorrosion dienen, was das Risiko einer Materialversprödung und eines Bruchs erhöht.
5. Phasen des Korrosionsprozesses
Titan-Spaltkorrosion verläuft in zwei Phasen:
Inkubationszeitraum: Zunächst wird durch kathodische Reaktionen Sauerstoff innerhalb und außerhalb des Spalts gleichermaßen verbraucht. Da der Sauerstoff im Inneren des Spalts erschöpft ist, laufen kathodische Reaktionen nur noch außen ab, während im Inneren des Spalts die anodische Auflösung von Titan vorherrscht.
Aktiver Auflösungszeitraum: Durch die kontinuierliche Ansammlung von Titanionen im Spalt wandern Chloridionen nach innen, um das Ladungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Titanionen hydrolysieren und bilden Titanhydroxid (Ti(OH)₄), das zu TiO₂ dehydriert. Die Hydrolysereaktion senkt den pH-Wert, wodurch der Passivfilm weiter zerstört und die Korrosion beschleunigt wird.
6. Einfluss der Spaltgeometrie
Spaltkorrosion wird durch geometrische Faktoren wie Spaltlänge, -breite und das Verhältnis von Innen- zu Außenoberfläche beeinflusst. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass schmale Spalten (Breiten unter 0,5 mm) deutlich anfälliger für Korrosion sind als breitere. Diese Effekte müssen durch spezifische experimentelle Studien und nicht durch theoretische Vorhersagen bestimmt werden.
7. Präventionsmaßnahmen
Um die Korrosionsbeständigkeit von Titan durch Reduzierung anorganischer Säuren zu verbessern und die Anfälligkeit für Spaltkorrosion zu verringern, werden häufig Titanlegierungen wie Ti-Pd und Ti-Ni-Mo verwendet, da sie im Vergleich zu kommerziell reinem Titan, insbesondere Ti-Pd-Legierungen, eine bessere Leistung bieten. Darüber hinaus können die folgenden Oberflächenbehandlungen die Beständigkeit von Titan gegen Spaltkorrosion verbessern:
Palladiumbeschichtung: Das Auftragen einer Palladiumbeschichtung auf Spaltbereiche erhöht die Korrosionsbeständigkeit.
Thermische Oxidationsbehandlung: Bildet eine stabile Oxidschicht und verbessert die Korrosionsbeständigkeit.
Anodische Oxidation: Verbessert den Passivierungsfilm und erhöht so die Korrosionsbeständigkeit.
Abschluss
Die Spaltkorrosion von Titan wird durch Umweltfaktoren, Lösungszusammensetzung und Spaltgeometrie beeinflusst und verläuft durch eine Inkubations- und aktive Auflösungsphase. Aufgrund der autokatalytischen Natur der Spaltkorrosion kann es zu einer schnellen Entwicklung kommen, sobald sie initiiert wurde, was zu einem Geräteausfall führt. In Umgebungen mit hohem-Risiko können die Auswahl geeigneter Legierungsmaterialien, die Optimierung des Strukturdesigns und der Einsatz geeigneter Oberflächenbehandlungen das Risiko einer Titanspaltkorrosion wirksam mindern.
