钛及钛合金的耐蚀性

1、耐蚀材料耐蚀材料 第第1111章章 钛及钛合金的耐蚀性钛及钛合金的耐蚀性 11.1 11.1 概述概述 耐蚀材料耐蚀材料 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，球上蕴藏量占第九位的元素，占地壳重量的占地壳重量的0.61%0.61% 。随便从地下抓。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。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 耐蚀材料

2、耐蚀材料 金红石金红石 板钛矿板钛矿 锐钛矿锐钛矿 四方晶系四方晶系 较不稳定，远比金较不稳定，远比金 红石少见红石少见 正交正交(斜方斜方)晶系，物理性质、产出条晶系，物理性质、产出条 件和用途都与金红石相似，但不如金件和用途都与金红石相似，但不如金 红石稳定和常见。红石稳定和常见。 耐蚀材料耐蚀材料 钛的氧化物钛的氧化物-二氧化钛（钛白），具有无毒、良好的物理化二氧化钛（钛白），具有无毒、良好的物理化 学稳定性（学稳定性（10001000煅烧后不熔于任何酸和碱）、折射指数高煅烧后不熔于任何酸和碱）、折射指数高 （2.552.552.702.70），以及很强的白度、着色力、遮盖力、耐温性、抗

3、），以及很强的白度、着色力、遮盖力、耐温性、抗 粉化等特征，被称为粉化等特征，被称为“颜料之王颜料之王”。 防防 晒晒 霜霜 物理防晒霜中的微小物理防晒霜中的微小 粒子一般是由二氧化粒子一般是由二氧化 钛、氧化锌等组成。钛、氧化锌等组成。 二氧化钛二氧化钛(俗称钛白粉俗称钛白粉)是一种允许使是一种允许使 用的食用色素用的食用色素,可以广泛用于食品，可以广泛用于食品， 主要做为增白剂使用主要做为增白剂使用 。 食食 用用 色色 素素 耐蚀材料耐蚀材料 钛也被誉为钛也被誉为“第三金属第三金属”，在有色金属的应用中，仅次于铁、，在有色金属的应用中，仅次于铁、 铝和铜。铝和铜。在航空、航天、舰船、军工

4、、冶金、化工、机械、电力、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。中有其重要的地位和作用。 耐蚀材料耐蚀材料 钛具有钛具有“亲生物亲生物”性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，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，制人造髋关对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制

5、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。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当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着上时，这些钛骨就开始维系着 人体的正常活动。人体的正常活动。 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。广的。 耐蚀材料耐蚀材料 4、固态下有两种同素异构体：熔点为、固态下有两种同素异构体：熔点为882.5为体心立方结构的为体心立方结构的 相；相；882.5以下为密排六方晶格以下为密排六方晶格相。相。 11.1

6、.1钛的物理特性钛的物理特性 2、熔点：、熔点：1668 1、密度：、密度：4.5 3、导电导热性差（导热率只有铜的、导电导热性差（导热率只有铜的5%，电阻率比铜高，电阻率比铜高34倍）倍） 5、钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为、钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。 耐蚀材料耐蚀材料 882.5 1668 相相 液液 相相 耐蚀材料耐蚀材料 1 1、比强度高。（常用金属材料中最高，比镁合金还高）。用钛来、比强度高。（常用金属材料中最高，比镁合金还高）。用钛来 制造潜艇制造潜艇钛潜艇。由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种钛潜艇。由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种 潜艇

7、可以在深达潜艇可以在深达45004500米的深海中航行。米的深海中航行。 11.1.2钛的力学性能特点钛的力学性能特点 2 2、高纯钛强度低，塑性好。、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（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% 0.05% 。 抗拉强度一般低于抗拉强度一般低于255MPa255MPa，屈服强度低于，屈服强度低于170MPa170MPa，延伸率大于，延伸率大于 50%50%。 3 3、工业纯钛含有少量的、工业纯钛含有少量的Fe ,C ,Si ,NFe ,C ,Si ,N等杂质，因此强度大大提高，等杂质，因此

8、强度大大提高， 塑性显著降低。断面收缩率高达塑性显著降低。断面收缩率高达707080%80%） 耐蚀材料耐蚀材料 11.1.3钛的加工工艺性钛的加工工艺性 1、工业纯钛可以进行各种压力加工（锻、轧、挤压等）。、工业纯钛可以进行各种压力加工（锻、轧、挤压等）。 2、可用通用设备切削，但切削加工性差。、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。）、可以焊接成型。（最常用氩弧焊。） 钛的化学活性大，钛的化学活性大， 导热性差，表面有导热性差，表面有 较高的粘接性。较高的粘接性。 耐蚀材料耐蚀材料 11.2 纯钛的耐蚀性纯钛的耐蚀性 钛以其优异的耐蚀性和可以接受的价格，已经

9、成为化工和通用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。工程的重要耐蚀结构材料。 11.2.1钛的电化学特性钛的电化学特性 钛的标准电极电位很低（钛的标准电极电位很低（-1.63V），因此，钛在热力学上是极），因此，钛在热力学上是极 不稳定的金属。不稳定的金属。 耐蚀材料耐蚀材料 11.2.2钛的钝化和表面氧化膜钛的钝化和表面氧化膜 1、钛的钝化、钛的钝化 （1）钛是一个高钝化性的金属，它的钝化性超过）钛是一个高钝化性的金属，它的钝化性超过Al ,Cr, Ni 和不锈和不锈 钢。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）钛的致钝电位

10、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。很强的钝态稳定性。 （3）钝化电位区宽。（高达）钝化电位区宽。（高达20V），不易产生过钝化。），不易产生过钝化。 （4）钝态不受氯离子破环。（对比铝的钝化膜）钝态不受氯离子破环。（对比铝的钝化膜） 耐蚀材料耐蚀材料 电极电位电极电位 电电 流流 密密 度度 耐蚀材料耐蚀材料 （3）氧化膜不是单一结构，随生成条件而异。）氧化膜不是单一结构，随生成条件而异。 主要结构有：主要结构有：TiO ,TiO2 ,Ti2O3等。等。 2、钛的表面氧化膜、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。）在大气或者水中，钛表面会自动形

11、成氧化膜。 （2）氧化膜与基体结合力强，保护性好。）氧化膜与基体结合力强，保护性好。 耐蚀材料耐蚀材料 1 1、钛对氯和氯化物具有很高的耐蚀性。、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）（各种金属中最耐蚀，包括在王水中） 11.2.3 钛在常用介质中的耐蚀性。钛在常用介质中的耐蚀性。 2、钛在沸腾的水和过热蒸汽中是耐蚀的。、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、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）年） 钛在海水中完全耐钛在海水中完全耐 蚀，在氯化物或海蚀，在氯化物或海 水中还耐点蚀

12、，这水中还耐点蚀，这 些都胜过了不锈钢些都胜过了不锈钢 和铜合金。和铜合金。 耐蚀材料耐蚀材料 4、钛在铬酸（沸腾）、硝酸、浓硝酸和浓硫酸的混合酸中也耐腐、钛在铬酸（沸腾）、硝酸、浓硝酸和浓硫酸的混合酸中也耐腐 蚀。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、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）增加而增加） 6、钛对氢氟酸、高温的稀磷酸、室温的浓磷酸也不耐蚀。、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、钛在稀碱液中是耐蚀的。（如20%的苛性钠）。的苛性钠）。 8、钛在无水的氧化性介质中是危险的。、钛在

13、无水的氧化性介质中是危险的。 耐蚀材料耐蚀材料 钛在发烟硝酸、干氯气、液溴、固体结晶碘以及纯氧气中会发钛在发烟硝酸、干氯气、液溴、固体结晶碘以及纯氧气中会发 生着火和爆炸。生着火和爆炸。 11.2.4 钛的特殊腐蚀形式钛的特殊腐蚀形式 1、钛的着火和爆炸、钛的着火和爆炸 耐蚀材料耐蚀材料 （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）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，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。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

14、反应常常开原因：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（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。下，就可能引起着火。 （2）钛在干氯气中着火自燃。）钛在干氯气中着火自燃。 （3）钛在纯氧气中自燃。）钛在纯氧气中自燃。 耐蚀材料耐蚀材料 （3）各种卤化物缝隙腐蚀电位顺序为：）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）（钛在氯化物最

15、容易发生缝隙腐蚀） 2、钛的缝隙腐蚀规律和特征、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、）都有一个孕育期。孕育期的长短与溶液浓度、温度、pH值等值等 有关。有关。 （2）在）在NaCl溶液中，氯离子浓度和温度越高，溶液中，氯离子浓度和温度越高，pH值越低，缝隙腐值越低，缝隙腐 蚀敏感性越高，发生腐蚀的孕育期越短。蚀敏感性越高，发生腐蚀的孕育期越短。 耐蚀材料耐蚀材料 （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）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，隙中氧浓度低，氯离子和氢离子较高，pH值下降。

16、值下降。 （5）钛在缝隙腐蚀往往是局部的，最终形成局部穿孔。）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。）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。）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。）酸性、中性溶液比碱性溶液发生缝隙腐蚀的几率大的多。 耐蚀材料耐蚀材料 3、钛的吸氢和氢脆、钛的吸氢和氢脆 （1）吸氢条件）吸氢条件 钛是活性很大的金属，在高温（钛是活性很大的金属，在高温（300300）含氢气氛中，在还）含氢气氛中，在还

17、原性酸腐蚀等多种条件下钛会吸氢。原性酸腐蚀等多种条件下钛会吸氢。 耐蚀材料耐蚀材料 （2）吸氢的危害）吸氢的危害 钛材全面吸收大量氢而脆化，导致氢脆破坏。钛材全面吸收大量氢而脆化，导致氢脆破坏。 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。氢化物的剥落、使腐蚀失重明显加大。 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。物，并且形成微裂纹，最终导致开裂。 耐蚀材料耐蚀材料 11.3 耐蚀钛合

18、金耐蚀钛合金 4040年代末，人们就开始致力于耐蚀钛合金的研制，主要是提高年代末，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。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。 我国在我国在70年代以来开发了年代以来开发了Ti-Mo ,Ti-Ni ,Ti-Pd 等耐蚀合金。等耐蚀合金。 耐蚀材料耐蚀材料 11.3.1 Ti-Pd 合金合金 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、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。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、此合金在高温高浓度氯化物溶液中非常耐