鈦的腐蝕與防護(hù)

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1、鈦的腐蝕與防護(hù)盛興材322003012062摘要：鈦及其合金具有較高的比強(qiáng)度和耐蝕性能，是一種很有前途的結(jié)構(gòu)材料和耐蝕材料。本文從電化學(xué)角度簡(jiǎn)要介紹了鈦腐蝕與防護(hù)問(wèn)題，討論了鈦的點(diǎn)蝕，局部腐蝕以及氫脆等幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，并介紹了幾種提高鈦耐蝕性的方法。1前言常用的耐蝕金屬有耐蝕低合金鋼、耐蝕鑄鐵、銅合金、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金等。其中不銹鋼是典型的耐蝕金屬，但多數(shù)不銹鋼存在以下缺點(diǎn)：（1）在氯化物中易發(fā)生點(diǎn)腐蝕和應(yīng)力腐蝕破裂；（2）在很多介質(zhì)中具有晶間腐蝕傾向，焊縫及熱影響區(qū)對(duì)晶間腐蝕尤為敏感；（3）Ni，Cr等主要耐蝕組元資源不豐富。而其他各種耐蝕金屬或合金，耐蝕性較差或不具備良好

2、的綜合性能或十分昂貴，應(yīng)用也受到很大限制。五十年代以來(lái)，鈦及其合金作為一種新的耐蝕合金問(wèn)世，其優(yōu)異的耐蝕性能很快對(duì)各個(gè)部門(mén)產(chǎn)生了巨大的吸引力，因而應(yīng)用不斷擴(kuò)大，迅速發(fā)展成為一種新的耐蝕金屬材料。作為一種活潑金屬，鈦的平衡電位很低，但是實(shí)際上鈦在許多介質(zhì)中十分穩(wěn)定，這是因?yàn)殁佋谶@些介質(zhì)中發(fā)生了鈍化，使鈦具有極好的耐蝕性。鈦的鈍性具有鈍化傾向強(qiáng)烈、穩(wěn)態(tài)電位范圍寬、鈍態(tài)不易被氯離子破壞等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，與不銹鋼、鋁合金等比較，鈦具有優(yōu)異的抗局部腐蝕性能，比如抗海水及氯化物點(diǎn)蝕，抗縫隙腐蝕，抗應(yīng)力腐蝕破裂以及耐磨蝕等。特別在耐蝕性經(jīng)過(guò)改善后（比如，陽(yáng)極保護(hù)，加緩蝕劑，表面處理，合金化等），在氧

3、化性，氯化物，硫化物，濕氯等環(huán)境中耐蝕性將更加優(yōu)越。2鈦的電化學(xué)腐蝕基礎(chǔ)鈦在熱力學(xué)上很活潑的金屬，其平衡電位為－1.63V，接近鋁的平衡電位。但是，在大氣或水溶液中，鈦表面上會(huì)立即形成一層保護(hù)很好的氧化膜，使其處于鈍態(tài)，因而使其穩(wěn)定電位（也稱(chēng)混合電位或腐蝕電位）遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏向正值。鈦的腐蝕電位變化與材料本身和環(huán)境有關(guān)，酸液的性質(zhì)，pH值，含氧量，材料的表面狀態(tài)，熱處理?xiàng)l件及合金化都會(huì)使其腐蝕電位發(fā)生變化（例：圖2－1，30頁(yè)）。圖2－2（33頁(yè)）顯示的是常溫下Ti－H2O體系的E－pH圖，我們可以看見(jiàn)，在堿性，中性以及弱酸性條件下，免蝕區(qū)以及鈍化區(qū)面積較大，鈦都具有高度的穩(wěn)定性。隨著溫度

4、的升高，E－pH圖有一定的變化，在此不詳細(xì)敘述。與其他金屬一樣，鈦在介質(zhì)中也會(huì)產(chǎn)生陰極極化和陽(yáng)極極化（圖2－3，61頁(yè)）。陰極極化包括活化極化和濃差極化，主要跟被還原物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)、濃度、溫度和擴(kuò)散速度有關(guān)；陽(yáng)極行為主要受pH值、溫度、溶解氧、應(yīng)力、熱處理和合金元素的影響。不論在活化狀態(tài)還是鈍化狀態(tài)，金屬都會(huì)發(fā)生離子化過(guò)程（又稱(chēng)自溶解）。在鈦的陽(yáng)極極化過(guò)程中，隨電位的增加，氧化條件發(fā)生改變，不僅陽(yáng)極溶解過(guò)程發(fā)生了變化，鈦表面氧化物的結(jié)構(gòu)和成分也發(fā)生了變化，即由低氧化物逐漸過(guò)渡到高氧化物。當(dāng)陽(yáng)極極化進(jìn)行到一定程度，鈦的溶解速度急劇降低，由表面活化溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殁g態(tài)。在弱酸、中性與堿性

5、溶液中，或者在硝酸中，即使在缺氧條件下，鈦表面膜遭到破壞后仍能恢復(fù)到鈍態(tài)。關(guān)于鈍化機(jī)理目前還沒(méi)有一致的解釋?zhuān)话阋韵嗄だ碚摵臀嚼碚撦^為常用。3鈦的均勻腐蝕純鈦在氧化性及中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，其均勻腐蝕很輕。例如，在溫度直到沸點(diǎn)的各種濃度的硝酸中（圖3－1，97頁(yè)），在濕氯氣及氯化鈉、氯酸鹽、次氯酸鹽等氯化物溶液中的腐蝕率都很低，在海水中其腐蝕率約為0.00000076～0.0025mm/a。在沸點(diǎn)以下的低濃度鹽酸、硫酸中，鈦的均勻腐蝕率已明顯提提高，但仍具有一定的耐蝕性。在溫度與濃度較高的還原性酸，如鹽酸、硫酸、草酸、氫氟酸中，鈦會(huì)遭到激烈的腐蝕，均勻腐蝕率高達(dá)2000mm

6、/a（圖3－2，104頁(yè)）；在硝酸－硫酸、鹽酸－硝酸的混合溶液中，在含游離氯的鹽酸中，由于氧化性硝酸及氯的作用，鈦的均勻腐蝕獲得相當(dāng)?shù)母纳?。在還原性酸中加入氧化性金屬離子、氧、氧化劑、有機(jī)緩蝕劑也有類(lèi)似的效果。鈦對(duì)大多數(shù)堿溶液具有良好的耐蝕性能，鈦在室溫氫氧化鋇，氫氧化鈣，氫氧化鎂，氫氧化鈉飽和溶液中完全耐腐蝕，在氫氧化鉀中，鈦也具有良好的耐蝕性。而且，與其他金屬不同，鈦在氫氧化鈉中不會(huì)發(fā)生堿脆。但是，鈦的腐蝕率隨堿溶液的濃度和溫度的升高而增加（圖3－3，125頁(yè)），因此，不能應(yīng)用于高濃度的氫氧化鈉和氫氧化鉀。4鈦的局部腐蝕鈦具有較高的抗局部腐蝕破壞的能力，它對(duì)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、

7、腐蝕疲勞均不敏感，僅在極少的介質(zhì)中出現(xiàn)，而其最突出的優(yōu)點(diǎn)是有相當(dāng)高的抗點(diǎn)蝕破壞性能。鈦在氯化物、溴化物、碘化物的環(huán)境僅偶爾有點(diǎn)蝕發(fā)生，鈦的點(diǎn)蝕多發(fā)生在高濃度氯化物的沸騰溶液中（42％MgCl2、61％CaCl2、86％ZnCl2、30％BaCl2和NiCl2）以及非水溶液中，例如，僅有少量水的含溴甲醇溶液；含0.2％HCl的乙醇溶液中，鈦也會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。鈦的點(diǎn)蝕大多是由于浸蝕性鹵素離子的作用引起其表面鈍化膜局部破壞后，向金屬內(nèi)部擴(kuò)展的一種腐蝕形態(tài)，蝕孔直徑比點(diǎn)蝕深度小得