Når reduseres oksidasjonsmotstanden til rent titan?

Forhøyede temperaturer over den kritiske terskelen

Rent titan viser god oksidasjonsmotstand ved temperaturer under 400 grader, siden TiO₂-filmen på overflaten forblir tett og vedheftende, og blokkerer effektivt ytterligere oksygeninfiltrasjon. Men når temperaturen overstiger 400 grader, endres oksidasjonsoppførselen til rent titan drastisk:

Ved 400–600 grader: TiO₂-filmen begynner å vokse raskt i tykkelse, og dens struktur forvandles fra en tett, beskyttende rutilfase til en mer porøs anatase- eller brookittfase i lokaliserte områder. I mellomtiden diffunderer en liten mengde interstitielle oksygenatomer inn i titanmatrisen, og danner et sprøtt oksygen-anriket lag under oksidfilmen, som svekker metallets strukturelle integritet samtidig som filmens barriereeffekt reduseres.

Over 600 grader: Oksydasjonsprosessen går inn i et «parabolsk-til-lineært overgangsstadium. TiO₂-filmen mister sine beskyttende egenskaper helt på grunn av alvorlig sprekkdannelse og avskalling forårsaket av termisk stress (som oppstår fra uoverensstemmelser i termiske ekspansjonskoeffisienter mellom oksidfilmen og titansubstratet). Oksygen trenger inn i matrisen med en akselerert hastighet, og dannelsen av lav-adhesjonsoksidlag (som Ti₂O3 og TiO i sub-overflatesonen) fører til katastrofal oksidasjon av rent titan, med oksidasjonshastigheten økende eksponentielt med temperaturen.

Høye-temperaturmiljøer med spesifikke etsende gassurenheter

Selv om temperaturen er innenfor det nominelle "sikre området" (under 400 grader), vil tilstedeværelsen av visse etsende gassurenheter drastisk forringe rent titans oksidasjonsmotstand:

Klor-holdige gasser (f.eks. Cl₂, HCl-damp): Kloridioner kan trenge gjennom TiO₂-filmen gjennom mikrosprekker eller korngrenser, og reagere med titan for å danne flyktige titanklorider (f.eks. TiCl₄). Denne "aktive korrosjons"-mekanismen ødelegger kontinuiteten til den passive filmen og forhindrer dens selv-helbredelse, noe som fører til lokalisert gropdannelse eller jevn korrosjon selv ved moderate temperaturer.

Svovelholdige-gasser (f.eks. SO₂, H₂S): Ved temperaturer over 300 grader kan svovelatomer diffundere inn i titanmatrisen og danne sprø titansulfider (f.eks. TiS, TiS₂) ved korngrensene. Disse sulfidene reduserer ikke bare metallets duktilitet, men forstyrrer også integriteten til TiO₂-filmen, noe som gjør den mer utsatt for oksygenangrep og akselererer oksidasjon.

Nitrogen-rike atmosfærer ved høye temperaturer: Over 500 grader reagerer nitrogen med titan for å danne hardt og sprøtt titannitrid (TiN) på overflaten og i matrisen. Mens TiN har en viss oksidasjonsmotstand, forårsaker dannelsen intern stress i oksidfilmen, noe som fører til sprekker og skaper kanaler for oksygen for å infiltrere det underliggende metallet ytterligere.

Sykliske termiske belastningsforhold

Gjentatte oppvarmings- og avkjølingssykluser (f.eks. i industrielle ovner eller komponenter til romfartsmotorer som gjennomgår hyppige start-stoppoperasjoner) kompromitterer oksidasjonsmotstanden til rent titan i alvorlig grad:

Termisk ekspansjon og sammentrekning av TiO₂-filmen og titansubstratet forårsaker syklisk stress, noe som fører til dannelse av mikrosprekker og delaminering i oksidlaget.

Hver termisk syklus eksponerer ferskt titanmetall for den oksiderende atmosfæren før filmen kan helt selv-heles, noe som resulterer i kumulativ oksidasjonsskade og en gradvis reduksjon i filmens beskyttelseskapasitet over tid.

Tilstedeværelse av smeltede salter eller metallforurensninger med lavt-smeltepunkt-

I miljøer som inneholder smeltede salter (f.eks. NaCl, Na₂SO₄ i industrielle prosesser med høy-temperatur) eller metaller med lavt-smeltepunkt- (f.eks. aluminium, magnesium, bly), er oksidasjonsmotstanden til rent titan betydelig svekket:

Smeltede salter kan fungere som elektrolytter, indusere elektrokjemisk korrosjon som bryter ned TiO₂-filmen, samtidig som de letter dannelsen av lav-smeltepunkt-titanforbindelser som akselererer filmfeil.

Metaller med lavt-smeltepunkt-kan diffundere inn i titanmatrisen ved høye temperaturer, danne eutektiske legeringer og forårsake intergranulær sprøhet, noe som svekker den strukturelle stabiliteten til metallet og gjør oksidfilmen mer utsatt for sprekker under oksidering.