Titaani klassi 4 ja klassi 2 korrosioonikindluse võrdlus
Titaani klass 2 (kaubanduslikult puhas titaan, CP Ti klass 2) ja titaani klass 4 (CP Ti klass 4) on mõlemad laialdaselt kasutatavad legeerimata titaani klassid, kuid nende korrosioonikindlus erineb lisandisisalduse, hapniku taseme ja mehaaniliste omaduste erinevuste tõttu, mis omakorda mõjutavad nende elektrokeemilist kohanemisvõimet. Allpool on nende korrosioonivõime üksikasjalik analüüs:
1. Kaubanduslikult puhta titaani põhiline korrosioonimehhanism
Kõik kaubanduslikult puhtad titaaniklassid põhinevad aspontaanselt moodustunud, tihe ja iseparanev titaandioksiidi (TiO₂) kilekorrosioonikaitseks. See oksiidikiht on mitte-poorne, keemiliselt inertne ja võib oksüdeerivas keskkonnas kahjustamisel end kiiresti parandada, moodustades titaani erakordse korrosioonikindluse tuumiku enamikus tööstuslikes ja looduslikes keskkondades. Erinevused 2. ja 4. klassi vahel tulenevad interstitsiaalsete elementide (hapnik, lämmastik, süsinik, vesinik) mõjust selle passiivse kile stabiilsusele ja materjali mikrostruktuurilisele terviklikkusele.
2. Korrosioonikindlus tavalistes keskkondades
(1) Üldine oksüdeeriv ja neutraalne keskkond
Oksüdeerivates hapetes (nt lahjendatud lämmastikhape, kroomhape), neutraalsetes elektrolüütides (nt merevesi, magevesi) ja atmosfääritingimustes,nii klass 2 kui ka klass 4 on suurepärase korrosioonikindlusega, mille korrosioonikiirus on ümbritseva õhu temperatuuril tavaliselt alla 0,025 mm/aastas (1 mpy). Nende passiivsed kiled püsivad nendes keskkondades stabiilsed ja tavalistes töötingimustes ei ilmne kumbki klass märkimisväärset täppide, pragude korrosiooni ega üldist korrosiooni.
Väike erinevus seisneb oksiidkile tiheduses: 4. klassi hapnikusisaldus on kõrgem (0,18–0,25 massiprotsenti vs . 0.12–0,18 massiprotsenti 2. klassi puhul). Suurem hapnikukontsentratsioon suurendab TiO₂ kihi kompaktsust, muutes 4. klassi passiivkile vähesel määral vastupidavamaks väiksemale mehaanilisele hõõrdumisele või keemilistele häiretele nõrgalt agressiivses oksüdeerivas keskkonnas (nt lahjendatud lämmastikhape kloriidioonide jälgedega). See eelis on enamikus standardrakendustes aga tühine.
(2) Happelise keskkonna vähendamine
Redutseerivates hapetes (nt vesinikkloriidhape, väävelhape, fosforhape), kus passiivne kile on altid lagunema (kuna TiO₂ stabiilsuse säilitamiseks puuduvad piisavad oksüdeerivad ained),2. klass ületab korrosioonikindluse poolest klassi 4. Madalam interstitsiaalsete lisandite sisaldus 2. klassis (eriti hapniku ja lämmastiku osas) vähendab võre moonutusi titaanmaatriksis, mille tulemuseks on parem elektrokeemiline stabiilsus mitteoksüdeerivates happelistes tingimustes.
Näiteks 5% HCl-s temperatuuril 25 kraadi on 2. astme korrosioonikiirus ligikaudu 0,05 mm/aastas, samas kui 4. astme korrosioonikiirus tõuseb 0,08–0,10 mm-ni aastas; 10% H2SO4-s toatemperatuuril jääb 2. aste passiveerituks minimaalse korrosiooniga, samas kui 4. astmel võib pikaajalisel kokkupuutel tekkida kerge üldine korrosioon koos nähtava pinnavärvi muutusega. Seda seetõttu, et 4. klassi kõrgemad interstitsiaalsed elemendid suurendavad materjali elektrokeemilist reaktsioonivõimet, kiirendades vesiniku eraldumist ja maatriksi lahustumist redutseerivates keskkondades.
(3) Kloriidi{1}}sisaldavad keskkonnad (täppide ja pragude korrosioon)
Kloriidi-rikkas keskkonnas (nt merevesi, soolvesi, kõrge Cl⁻ kontsentratsiooniga tööstuslikud heitveed) on titaani peamisteks rikkeviisideks punkt- ja pragukorrosioon.2. klassil on veidi parem vastupidavus lokaalsele korrosioonile kui klass 4kõrge{0}}temperatuuri ja kõrge-kloriidisisaldusega keskkondades.
Kriitiline süvendite temperatuur (CPT) ja kriitiline pilu temperatuur (CCT) on siin peamised mõõdikud:
2. astme CCT on ~80–85 kraadi 3,5% NaCl lahuses, 4. astme CCT on ~75–80 kraadi;
10% NaCl atmosfäärirõhul ületab 2. astme CPT 100 kraadi, samas kui 4. astme CPT on umbes 95 kraadi.
4. klassi kõrgem hapnikusisaldus suurendab mikrostruktuuride defektide (nt nihestused, interstitsiaalsed klastrid) arvu, mis toimivad süvendite tekke initsiatsioonikohtadena, kui passiivne kile on lokaalselt kloriidioonide poolt kahjustatud. Kuid mõlemad klassid ületavad kloriidikeskkonnas siiski palju enamust roostevabast terasest-nende lokaalne korrosioonikindlus on endiselt suurepärane merenduses, naftaväljadel ja keemilise töötlemise rakendustes temperatuuril alla 80 kraadi.
(4) Kõrge{1}}temperatuuri ja{2}rõhuga keskkonnad
Kõrge -temperatuuriga keskkondades (150–300 kraadi) oksüdeeriva või neutraalse keskkonnaga (nt kõrgsurveaur, kuum lämmastikhape)Klass 4 näitab paremat korrosioonikindlust kui klass 2. 4. klassi kõrgem hapnikusisaldus suurendab TiO₂ passiivse kile termilist stabiilsust, vältides kile pragunemist või lõhenemist termilise tsükli või kõrgrõhu tingimustes. Näiteks 200 kraadises 98% kontsentreeritud lämmastikhappes (tavaline keskkond tuuma ümbertöötlemisel) säilitab klass 4 korrosioonikiiruse<0.01 mm/year, while Grade 2 may experience slight film thickening and a marginally higher corrosion rate (~0.015 mm/year) over long-term exposure. Additionally, Grade 4's better creep resistance at high temperatures reduces stress-corrosion cracking (SCC) risk in corrosive, high-stress environments, whereas Grade 2 is more prone to SCC under combined high temperature, corrosion, and tensile stress.
3. Spetsiaalsed korrosioonistsenaariumid
(1) Vesiniku murenemiskindlus
Vesinikku{0}}sisaldavates keskkondades (nt katoodkaitsesüsteemid, kõrge-temperatuuriline vesi, redutseerivad happed) neelab titaan vesinikku, mis põhjustab haprust.2. klassil on parem vesiniku rabeduskindlus kui 4. klassilkuna selle väiksem interstitsiaalne sisaldus vähendab vesiniku difusioonikiirust maatriksis. 4. klassi tihedam võre (kõrgema hapniku tõttu) võimaldab vesiniku kiiremat sissetungimist, suurendades hüdriidide moodustumise ja rabedate purunemiste ohtu pikaajalises -vesiniku- kokkupuutes.
(2) Aluseline keskkond
In strong alkaline media (e.g., NaOH, KOH solutions), both grades display good corrosion resistance, as the TiO₂ film reacts to form soluble titanates only at very high concentrations (>50% NaOH) and temperatures (>100 kraadi). Sellistes äärmuslikes leeliselistes tingimustes2. klassil on veidi madalam korrosioonimäärkui 4. klass, kuid erinevus on minimaalne ja mõjutab harva praktilisi rakendusi.
4. Korrosioonitõhususe kompromisside{1}}kokkuvõte
| Korrosioonikeskkond | 2. klassi eelis | 4. klassi eelis |
|---|---|---|
| Redutseerivad happed (HCl, H₂SO4) | Madalam üldine korrosioonikiirus, parem stabiilsus | Mitte ühtegi |
| Kloriidkeskkond (lokaliseeritud korrosioon) | Kõrgem CCT/CPT, väiksem aukude/lõhede tekkerisk | Mitte ühtegi |
| Vesinikku{0}}sisaldavad keskkonnad | Madalam vesiniku difusioon, parem rabeduskindlus | Mitte ühtegi |
| Kõrge temperatuuriga -oksüdeerivad ained (kuum lämmastikhape, aur) | Mitte ühtegi | Stabiilsem passiivkile, väiksem roomamis{0}}korrosioonioht |
| Üldine ümbritsev/neutraalne meedia | Samaväärne 4. klassiga | Vastab 2. klassile |
Kokkuvõtteks võib öelda, et 2. klass on eelistatud valik rakenduste jaoks redutseerivates hapetes, kloriidirohketes keskkondades, kus kehtivad ranged lokaliseeritud korrosiooninõuded, ja vesiniku{2}}stsenaariumides. Klass 4 sobib rohkem kõrgel -temperatuuril oksüdeerivates või kõrge-pingesöövitavates keskkondades, kus selle termiliselt stabiilne passiivne kile ja suurem mehaaniline tugevus (koos vastuvõetava korrosioonikindlusega) tagavad parema üldise jõudluse tasakaalu.
