Kedy sa znižuje oxidačná odolnosť čistého titánu?

Zvýšené teploty nad kritickým prahom

Čistý titán vykazuje dobrú odolnosť voči oxidácii pri teplotách pod 400 stupňov, pretože povrchová vrstva TiO₂ zostáva hustá a priľnavá, čím účinne blokuje ďalšiu infiltráciu kyslíka. Keď však teplota prekročí 400 stupňov, oxidačné správanie čistého titánu sa drasticky zmení:

Pri 400-600 stupňoch: Film TiO₂ začína rýchlo rásť do hrúbky a jeho štruktúra sa v lokalizovaných oblastiach transformuje z hustej ochrannej rutilovej fázy na poréznejšiu fázu anatasu alebo brookitu. Medzitým malé množstvo intersticiálnych atómov kyslíka difunduje do titánovej matrice a vytvára krehkú kyslíkom -obohatenú vrstvu pod oxidovým filmom, ktorá oslabuje štrukturálnu integritu kovu a zároveň znižuje bariérový efekt filmu.

Nad 600 stupňov: Oxidačný proces vstupuje do štádia prechodu z „parabolického-do-lineárneho“. Film TiO₂ úplne stráca svoje ochranné vlastnosti v dôsledku silného praskania a odlupovania spôsobeného tepelným namáhaním (vznikajúce z nesúladu koeficientov tepelnej rozťažnosti medzi oxidovým filmom a titánovým substrátom). Kyslík preniká do matrice zrýchlenou rýchlosťou a tvorba nízko-adhéznych oxidových vrstiev (ako je Ti₂O3 a TiO v podpovrchovej zóne) vedie ku katastrofálnej oxidácii čistého titánu, pričom rýchlosť oxidácie rastie exponenciálne s teplotou.

Prostredia s vysokou{0}}teplotou so špecifickými korozívnymi plynovými nečistotami

Aj keď je teplota v nominálnom „bezpečnom rozsahu“ (pod 400 stupňov), prítomnosť určitých nečistôt korozívnych plynov drasticky zníži odolnosť čistého titánu voči oxidácii:

Plyny-obsahujúce chlór (napr. Cl₂, výpary HCl): Chloridové ióny môžu preniknúť do filmu TiO₂ cez mikrotrhlinky alebo hranice zŕn, pričom reagujú s titánom za vzniku prchavých chloridov titánu (napr. TiCl4). Tento mechanizmus „aktívnej korózie“ ničí kontinuitu pasívneho filmu a zabraňuje jeho samo-hojeniu, čo vedie k lokalizovanej jamkovej korózii alebo rovnomernej korózii aj pri miernych teplotách.

Plyny-obsahujúce síru (napr. SO₂, H₂S): Pri teplotách nad 300 stupňov môžu atómy síry difundovať do matrice titánu a vytvárať krehké sulfidy titánu (napr. TiS, TiS2) na hraniciach zŕn. Tieto sulfidy nielen znižujú ťažnosť kovu, ale tiež narúšajú integritu filmu TiO₂, čím sa stáva náchylnejším na napadnutie kyslíkom a urýchľuje oxidáciu.

Atmosféry bohaté na dusík-pri vysokých teplotách: Nad 500 stupňov dusík reaguje s titánom za vzniku tvrdého a krehkého nitridu titánu (TiN) na povrchu a vo vnútri matrice. Zatiaľ čo TiN má určitú odolnosť voči oxidácii, jeho tvorba spôsobuje vnútorné napätie v oxidovom filme, čo vedie k praskaniu a vytváraniu kanálov pre kyslík na ďalšiu infiltráciu do základného kovu.

Podmienky cyklického tepelného zaťaženia

Opakované cykly zahrievania a ochladzovania (napr. v priemyselných peciach alebo komponentoch leteckých motorov, ktoré sa často spúšťajú-zastavujú) vážne ohrozujú odolnosť čistého titánu voči oxidácii:

Tepelná expanzia a kontrakcia filmu TiO₂ a titánového substrátu spôsobujú cyklické namáhanie, čo vedie k tvorbe mikrotrhlín a delaminácii v oxidovej vrstve.

Každý tepelný cyklus vystavuje čerstvý titánový kov oxidačnej atmosfére predtým, ako sa film môže úplne samo{0}}zaceliť, čo má za následok kumulatívne poškodenie oxidáciou a postupné znižovanie ochrannej kapacity filmu v priebehu času.

Prítomnosť roztavených solí alebo kovových kontaminantov s nízkym -bodom topenia-

V prostrediach obsahujúcich roztavené soli (napr. NaCl, Na₂SO₄ vo vysoko-priemyselných procesoch) alebo kovy s nízkym-bodom topenia- (napr. hliník, horčík, olovo) je odolnosť čistého titánu voči oxidácii výrazne narušená:

Roztavené soli môžu pôsobiť ako elektrolyty, vyvolávajú elektrochemickú koróziu, ktorá rozkladá film TiO₂, a zároveň uľahčujú tvorbu zlúčenín titánu s nízkym -bodom topenia-, ktoré urýchľujú zlyhanie filmu.

Kovy s nízkym -bodom topenia- môžu pri vysokých teplotách difundovať do titánovej matrice, vytvárať eutektické zliatiny a spôsobovať medzikryštalické krehnutie, ktoré oslabuje štrukturálnu stabilitu kovu a spôsobuje, že oxidový film je náchylnejší na praskanie počas oxidácie.