Korrosionsbeständigkeit und grundlegende elektrochemische Eigenschaften von Titanlegierungen
1.1 Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungen
Titanlegierungen gelten weithin als „Meeresmetall“ und sind aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit ein ideales Material für Schiffe. Zahlreiche schiffstechnische Verfahren und wissenschaftliche Experimente haben gezeigt, dass Titanlegierungen in reinem Meerwasser eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen, wobei nahezu keine gleichmäßige Korrosion auftritt, und dass sie eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion aufweisen. Chinas 16-jährige Seeversuche im Südchinesischen Meer, im Ostchinesischen Meer und im Gelben Meer haben gezeigt, dass Titanlegierungsmaterialien in vollständig eingetauchtem Meerwasser, im Gezeitenbereich und in Meerwasser in Spritzzonen nahezu keine nennenswerten Korrosionsphänomene aufweisen. Drei Jahre realer Meeresexpositionstests in der Tiefseeumgebung von 800-1000 m im Südchinesischen Meer haben außerdem bestätigt, dass Titanlegierungen in Tiefseeumgebungen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen gleichmäßige Korrosion aufweisen.
Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit von Titanlegierungsmaterialien in Meerwasserumgebungen wird hauptsächlich auf die folgenden fünf Gründe zurückgeführt:
(1)
(Die relative Reaktivität zwischen Titanmetall und Sauerstoff ist extrem schnell und übertrifft die von Aluminium, Nickel und Edelstahl, was dazu führt, dass die Oberfläche von Titanlegierungen in einer aeroben Umgebung nur schwer in einem metallischen Zustand vorliegen kann;
(2)
Titanlegierungen können sowohl in atmosphärischen als auch in wässrigen Umgebungen spontan dichte Oxidfilme bilden, ohne dass lose Hydroxidschichten vorhanden sind, und ihre Oxidfilme weisen ausgezeichnete Abschirm- und Blockiereigenschaften auf;
(3)
Die auf der Oberfläche von Titanmetall gebildeten Oxide TiO, TiO2 und Ti2O3 sind sehr stabil und weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Chloridionenerosion auf;
(4)
Der Titanoberflächenoxidfilm wird durch epitaktischen Wachstumsmechanismus mit starker Grenzflächenbindungskraft, einem Volumenverhältnis von 1,76, in einem Druckspannungszustand und wenigen Filmdefekten gebildet;
(5)
Der Oxidfilm auf der Oberfläche von Titan verfügt über ausgezeichnete Selbstheilungseigenschaften und repassiviert sich schnell wieder und geht in einen stabilen Zustand über, nachdem er durch Umgebungsmedien korrodiert oder durch äußere Kräfte beschädigt wurde. Diese hervorragenden Eigenschaften machen Titanlegierungen zu einem natürlichen korrosionsbeständigen Metallmaterial.
Daher wird allgemein davon ausgegangen, dass technische Geräte aus Titanlegierungen Korrosionsprobleme vermeiden können, was dazu führt, dass Korrosions- und Schutzprobleme von Strukturen aus Titanlegierungen bei der Schiffskonstruktion kaum berücksichtigt werden. Dieses konsequente Denken kann ernsthafte Gefahren für die technische Sicherheit mit sich bringen, insbesondere bei Geräten, die über einen längeren Zeitraum in extremen Umgebungen wie der Tiefsee eingesetzt werden, und deren Betriebssicherheitsprobleme nicht ignoriert werden dürfen.
Obwohl Titanlegierungsmaterialien eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen, sind sie in Tiefseeumgebungen unter extremen Umweltfaktoren, mechanischen Belastungen und den damit verbundenen Auswirkungen mikrobieller Gemeinschaften immer noch mit Umweltschäden wie Leistungseinbußen und Korrosionsversagen konfrontiert. Beispielsweise ergab eine Studie der Beijing University of Science and Technology [10], dass bei einem pH-Wert von Meerwasser unter 2 die Stabilität und Korrosionsbeständigkeit von Passivierungsfilmen aus Titanlegierungen deutlich abnimmt; Schwefelionen und Fluoridionen haben einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität von Titanlegierungen, insbesondere wenn die Fluoridionenkonzentration 0,005 mol/L übersteigt, treten bei Titanlegierungen schwerwiegende Korrosionsprobleme auf.
Die US-Marine entdeckte Spannungsrisskorrosion in der hochfesten Titanlegierung 13V-11Cr-3Al bei tatsächlichen Seebelastungstests im Pazifischen Ozean in einer Tiefe von 700 bis 2000 Metern, und die Spannungskorrosionsempfindlichkeit der Schweiß- und Hitzeeinflusszone war höher als die des Grundmetalls. Nach Untersuchungen der Harbin Engineering University, des Institute of Metals, der Chinese Academy of Sciences, der Northeastern University und anderer Institutionen in China nimmt mit zunehmendem hydrostatischen Druck in der Tiefsee die Spannungskorrosionsempfindlichkeit von Titanlegierungen zu. Die Spannungskorrosion der Titanlegierung GR5 unter einem hydrostatischen Druck von 20 MPa erfolgt in Form einer wasserstoffinduzierten Rissbildung. Mit zunehmender Festigkeit nimmt die Spannungskorrosionsempfindlichkeit der Titanlegierung zu. Darüber hinaus sind in Strukturen des Schiffsausrüstungsbaus komplexe Strukturen wie elektrische Verbindungen, Lücken und Schweißnähte unvermeidlich, was die Komplexität und Zerstörungskraft lokaler Korrosionsschäden an Titanlegierungen weiter verschärft.
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