Титан в машиностроении

Горынин И.В., Чечулин Б.Б.г

Машиностроение, 1990 г.

Коррозионная стойкость титановых сплавов

Высокая коррозионная стойкость вю многих агрессивных природных и промышленных средах является одним из отличительных свойств титана и его сплавов [47]. Стойкость титановых сплавов в ряде сред определяется инертностью поверхностной оксидной пленки и быстротой ее образования или восстановления, особенно в окислительных средах и при наличии воды. Пленочный характер коррозионной стойкости титана очевиден, но особенности и природа пассивации от изменений внешних условий и внутриструктурного состояния изучена далеко не полно, хотя уровень коррозионной стойкости сильно зависит от этих факторов. Поэтому часто удается с помощью малых ингибиторных добавок уменьшить или предотвратить опасное в обычных условиях воздействие на титан агрессивной среды. В то же время в некоторых случаях наблюдается неожиданное усиление коррозии без достаточно ясных причин.

§ 1. Электрохимические свойства титана

Коррозия металлов в водных растворах обусловлена электрохимическими процессами. Изучение электрохимического поведения металлов в растворах электролитов позволяет раскрыть общие закономерности и выявить природу их коррозионной стойкости. Для титана характерна высокая коррозионная стойкость в большинстве водных растворов при сравнительно большой химической активности, поэтому изучение его электрохимических характеристик представляет особый интерес.

Электродныйпотенциал.

 Стандартный электродный потенциал является первым критерием коррозионной стойкости металла: чем он меньше или отрицательнее, тем меньшей коррозионной стойкостью при прочих равных условиях обладает собственно металл. Электрохимические и термодинамические подсчеты и экспериментальное определение электродного потенциала титана показали, что как и у алюминия, магния, железа и некоторых других металлов, он имеет так называемый необратимый электродный потенциал равен соответственно —1,63;—2,23; —0,88 В, в то время как прямым экспериментом была получена величина 0,355 В, а по некоторым исследованиям еще выше. По теоретическим данным, титан можно поставить рядом с магнием и алюминием, а по опытным его электродный потенциал близок к кадмию и кобальту.

Однако стандартный потенциал титана дает представление о коррозионном его поведении в условиях, когда исключено какое-либо пассивирующее влияние среды, приводящее к поляризационным процессам, образованию защитных пленок и другим явлениям, сопутствующим процессу электрохимической коррозии. Как видим, по значению стандартного потенциала трудно судить о термодинамической стабильности титана даже в первый момент вследствие больших расхождений теоретических и экспериментальных данных, видимо, из-за большой чувствительности потенциала к среде. Более правильно поставить вопрос о возможности термодинамического поведения титана в агрессивных средах, отвлекаясь от кинетических способностей его к пассивации. Такие термодинамические представления о коррозионных свойствах титана можно получить на основании равновесной диаграммы: электродный потенциал — ρ Η раствора для системы Ti—TiO₂—H₂O(диаграмма Пурбэ [48]). Такая диаграмма дает информацию относительно термодинамического равновесия между титаном и его ионами в растворе (или нерастворимыми продуктами реакции) для разных электродных потенциалов металла и различных значений рН водного раствора.

Упрощенная диаграмма Пурбэ для титана приведена на рис. 41, на котором показаны возможные области коррозии, пассивности и термодинамической стабильности при 25 °С. Состояние коррозии на схеме соответствует концентрации ионов растворяющегося титана 10~* г-ион/л, а состояние пассивности — образованию безводного оксида строго стехиометрического состава ТЮ_г. Зона стабильной устойчивости соответствует сильно отрицательному значению потенциалов, а зона коррозии — нахождению титана в кислых средах. На диаграмме указана вероятная область коррозии при высоком положительном электродном потенциале, что соответствует перепассивации титана в результате анодной поляризации. Область пассивации, находящаяся между зонами коррозии, может нарушаться при воздействии неокислительных кислот, фторидов и сильной анодной поляризанли. Представленные на диаграмме области коррозии хотя и отражают условия коррозионного поведения титана, но не несут информации о скорости протекания процесса.

По сравнению с другими легко окисляющимися металлами и сплавами (алюминий, коррозионно-стойкие стали) для титана характерны весьма отрицательный потенциал пассивности и значительное перенапряжение водорода на поверхности при высоком положительном потенциале пробоя пассивной пленки. Вследствие этого он сохраняет пассивность в слабых минеральных и органических кислотах и стойкость к питтингу в средах, не относящихся к концентрированным растворам кислот и солей.

Пассивацияи депассивация титана. Свежезачищенная поверхность титана немедленно после погружения в водный раствор электролита дает отрицательный потенциал. Если бы состояние поверхности в процессе выдержки в растворе не изменялось, быстрая коррозия титана была бы неизбежной. Однако после погружения титана в одни растворы потенциал его начинает весьма быстро повышаться, достигая величины +0,46 В и более, т. е. наблюдается пассивация; в других растворах он остается на низком уровне. В этом отношении титан ведет себя как коррозионностойкие стали аустенитного класса.