钛及钛合金的耐蚀性

耐蚀材料 钛的应用是从航空、航天等军事方面开始，逐渐向一般工业推 广的。
钛具有“亲生物”性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒， 对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关 节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。 当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着 人体的正常活动。
物理防晒霜中的微小 粒子一般是由二氧化 钛、氧化锌等组成。
防 晒 霜
食 用 色 素
二氧化钛(俗称钛白粉)是一种允许使 用的食用色素,可以广泛用于食品， 主要做为增白剂使用 。
耐蚀材料 钛也被誉为“第三金属”，在有色金属的应用中，仅次于铁、 铝和铜。在航空、航天、舰船、军工、冶金、化工、机械、电力、 海水淡化、交通运输、轻工、环境保护、医疗器械等领域，有着广 泛的应用，并创造了巨大的经济效益和社会效益，在国民经济发展 中有其重要的地位和作用。
1、钛对氯和氯化物具有很高的耐蚀性。 （各种金属中最耐蚀，包括在王水中）
钛在海水中完全耐 蚀，在氯化物或海 水中还耐点蚀，这 些都胜过了不锈钢 和铜合金。
2、钛在沸腾的水和过热蒸汽中是耐蚀的。
3、钛在大气和土壤中极其耐蚀。（长期实验腐蚀速率小于 0.001mm/年）
耐蚀材料 4、钛在铬酸（沸腾）、硝酸、浓硝酸和浓硫酸的混合酸中也耐腐 蚀。 5、钛对纯的非氧化性酸是不耐蚀的。（腐蚀速率随着温度、浓度 增加而增加）
耐蚀材料
第11章 钛及钛合金的耐蚀性
11.1
概述
耐蚀材料 钛曾经被称为稀有金属，但是实际上在地壳中储量很大。是地 球上蕴藏量占第九位的元素，占地壳重量的0.61% 。随便从地下抓 起一把泥土，其中都含有千分之几的钛，世界上储量超过一千万吨 的钛矿并不稀罕。但是在应用上钛还是一个新金属。
钛铁矿
钒钛磁铁矿
1、少量的钯能促进阳极钝化，提高了在盐酸、硫酸等非氧化性酸 中的耐蚀性。 2、此合金在高温高浓度氯化物溶液中非常耐腐蚀，不会产生缝隙 腐蚀。 3、不容易因腐蚀而产生氢脆。 4、对强还原性酸中不耐蚀。
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11.3.2 Ti-Mo合金
其主要特点是耐强还原性酸的腐蚀。（是还原性酸中最耐蚀的 合金）
耐蚀材料
耐蚀材料
3、钛的吸氢和氢脆
（1）吸氢条件
钛是活性很大的金属，在高温（﹥300℃）含氢气氛中，在还 原性酸腐蚀等多种条件下钛会吸氢。
耐蚀材料 （2）吸氢的危害 ①如果氢的扩散很慢，氢化物会集中在钛的表面，会引起表面脆性 氢化物的剥落、使腐蚀失重明显加大。
②钛基体中的氢在应力作用下，会扩散到应力集中的部位形成氢化 物，并且形成微裂纹，最终导致开裂。
耐蚀材料
11.1.3钛的加工工艺性
1、工业纯钛可以进行各种压力加工（锻、轧、挤压等）。 钛的化学活性大， 导热性差，表面有 较高的粘接性。 2、可用通用设备切削，但切削加工性差。
3、可以焊接成型。（最常用氩弧焊。）
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11.2 纯钛的耐蚀性
钛以其优异的耐蚀性和可以接受的价格，已经成为化工和通用 工程的重要耐蚀结构材料。
（4）钝态不受氯离子破环。（对比铝的钝化膜）
耐蚀材料
电 流 密 度
电极电位
耐蚀材料
2、钛的表面氧化膜
（1）在大气或者水中，钛表面会自动形成氧化膜。
（2）氧化膜与基பைடு நூலகம்结合力强，保护性好。
（3）氧化膜不是单一结构，随生成条件而异。 主要结构有：TiO ,TiO2 ,Ti2O3等。
耐蚀材料
11.2.3 钛在常用介质中的耐蚀性。
6、钛对氢氟酸、高温的稀磷酸、室温的浓磷酸也不耐蚀。
7、钛在稀碱液中是耐蚀的。（如﹤20%的苛性钠）。
8、钛在无水的氧化性介质中是危险的。
耐蚀材料
11.2.4 钛的特殊腐蚀形式
1、钛的着火和爆炸
钛在发烟硝酸、干氯气、液溴、固体结晶碘以及纯氧气中会发 生着火和爆炸。
耐蚀材料 （1）钛在发烟硝酸中着火爆炸：浓硝酸是一种强氧化剂，钛应该 是耐腐蚀的。但是在发烟硝酸中，会发生非常剧烈的腐蚀和氧化， 引起着火反应。 原因：着火反应以钛表面极剧烈的腐蚀作用开始，这种反应常常开 始于晶间，并在钛表面留下很细的金属钛粉末，此时，在氧化剂 （如硝酸）的作用下，或同时有撞击、摩擦等外来机械因素的引发 下，就可能引起着火。
11.2.1钛的电化学特性
钛的标准电极电位很低（-1.63V），因此，钛在热力学上是极 不稳定的金属。
耐蚀材料
11.2.2钛的钝化和表面氧化膜
1、钛的钝化
（1）钛是一个高钝化性的金属，它的钝化性超过Al ,Cr, Ni 和不锈 钢。 （2）钛的致钝电位低，临界钝化电流小，因此容易钝化，而且有 很强的钝态稳定性。 （3）钝化电位区宽。（高达20V），不易产生过钝化。
耐蚀材料 较不稳定，远比金 红石少见
锐钛矿 四方晶系
板钛矿
正交(斜方)晶系，物理性质、产出条 件和用途都与金红石相似，但不如金 红石稳定和常见。 金红石
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钛的氧化物----二氧化钛（钛白），具有无毒、良好的物理化 学稳定性（1000℃煅烧后不熔于任何酸和碱）、折射指数高 （2.55～2.70），以及很强的白度、着色力、遮盖力、耐温性、抗 粉化等特征，被称为“颜料之王”。
耐蚀材料 （4）发生腐蚀时，缝隙中的溶液化学成分与本体不同。一般是缝 隙中氧浓度低，氯离子和氢离子较高，pH值下降。 （5）钛在缝隙腐蚀往往是局部的，最终形成局部穿孔。
（6）发生过程中往往伴随析氢，有针状氢化物析出，并使腐蚀加快
（7）窄缝隙比宽缝隙的腐蚀倾向大的多。 （8）酸性、中性溶液比碱性溶液发生缝隙腐蚀的几率大的多。
③钛材全面吸收大量氢而脆化，导致氢脆破坏。
耐蚀材料
11.3 耐蚀钛合金
40年代末，人们就开始致力于耐蚀钛合金的研制，主要是提高 工业纯钛在还原性酸中的耐蚀性，尤其是解决缝隙腐蚀敏感性。
我国在70年代以来开发了Ti-Mo ,Ti-Ni ,Ti-Pd 等耐蚀合金。
耐蚀材料
11.3.1 Ti-Pd 合金
（2）钛在干氯气中着火自燃。
（3）钛在纯氧气中自燃。
耐蚀材料
2、钛的缝隙腐蚀规律和特征
（1）都有一个孕育期。孕育期的长短与溶液浓度、温度、pH值等 有关。 （2）在NaCl溶液中，氯离子浓度和温度越高，pH值越低，缝隙腐 蚀敏感性越高，发生腐蚀的孕育期越短。
（3）各种卤化物缝隙腐蚀电位顺序为： Cl- ﹤Br- ﹤I- （钛在氯化物最容易发生缝隙腐蚀）
耐蚀材料
11.1.1钛的物理特性
1、密度：4.5 2、熔点：1668℃ 3、导电导热性差（导热率只有铜的5%，电阻率比铜高34倍） 4、固态下有两种同素异构体：熔点为882.5℃为体心立方结构的β 相；882.5℃以下为密排六方晶格α相。
5、钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。
耐蚀材料
液 1668℃ β相
882.5℃ α相
耐蚀材料
11.1.2钛的力学性能特点
1、比强度高。（常用金属材料中最高，比镁合金还高）。用钛来 制造潜艇——钛潜艇。由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种 潜艇可以在深达4500米的深海中航行。
2、高纯钛强度低，塑性好。 （纯度最高的钛是用碘化物法制得的，其杂质含量很低，不大于 0.05% 。 抗拉强度一般低于255MPa，屈服强度低于170MPa，延伸率大于 50%。 3、工业纯钛含有少量的Fe ,C ,Si ,N等杂质，因此强度大大提高， 塑性显著降低。断面收缩率高达70～80%）
11.3.3
Ti-Ni-Mo合金
耐蚀性优于工业纯钛，接近于Ti-Pd合金。 特点：可焊接性好，塑性高，成本低。（节约大量贵金属Pd）