Saf Titanyumun Oksidasyon Direnci Ne Zaman Azalır?
Kritik eşiğin ötesinde yüksek sıcaklıklar
Saf titanyum, yüzey TiO₂ filminin yoğun ve yapışkan kalması ve daha fazla oksijen sızmasını etkili bir şekilde engellemesi nedeniyle 400 derecenin altındaki sıcaklıklarda iyi oksidasyon direnci sergiler. Ancak sıcaklık 400 dereceyi aştığında saf titanyumun oksidasyon davranışı büyük ölçüde değişir:
400–600 derecede: TiO₂ filmi hızla kalınlık kazanmaya başlar ve yapısı, lokalize bölgelerde yoğun, koruyucu rutil fazdan daha gözenekli anataz veya brookite fazına dönüşür. Bu arada, az miktarda ara oksijen atomu titanyum matrisine yayılarak oksit filmin altında kırılgan, oksijen-zenginleştirilmiş bir katman oluşturur, bu da filmin bariyer etkisini azaltırken metalin yapısal bütünlüğünü zayıflatır.
600 derecenin üstünde: Oksidasyon süreci "parabolik-doğrusaldan-doğrusala" bir geçiş aşamasına girer. TiO₂ filmi, termal stresin (oksit film ile titanyum alt tabaka arasındaki termal genleşme katsayılarındaki uyumsuzluklardan kaynaklanan) neden olduğu şiddetli çatlama ve dökülme nedeniyle koruyucu özelliklerini tamamen kaybeder. Oksijen, matrisin içine hızlandırılmış bir hızla nüfuz eder ve düşük-yapışmalı oksit katmanlarının oluşumu (alt-yüzey bölgesindeki Ti₂O₃ ve TiO gibi), oksidasyon hızının sıcaklıkla birlikte katlanarak artmasıyla, saf titanyumun feci oksidasyonuna yol açar.
Belirli aşındırıcı gaz kirliliklerine sahip-yüksek sıcaklıktaki ortamlar
Sıcaklık nominal "güvenli aralık" dahilinde olsa bile (400 derecenin altında), belirli aşındırıcı gaz yabancı maddelerinin varlığı saf titanyumun oksidasyon direncini büyük ölçüde bozacaktır:
Klor-içeren gazlar (örn. Cl₂, HCl buharı): Klorür iyonları, mikro çatlaklardan veya tane sınırlarından TiO₂ filmine nüfuz edebilir, titanyum ile reaksiyona girerek uçucu titanyum klorürler (örn. TiCl₄) oluşturabilir. Bu "aktif korozyon" mekanizması, pasif filmin sürekliliğini yok eder ve kendi kendini onarmasını- önler, orta sıcaklıklarda bile lokal çukurlaşmaya veya tekdüze korozyona yol açar.
Kükürt-içeren gazlar (örneğin, SO₂, H₂S): 300 derecenin üzerindeki sıcaklıklarda kükürt atomları titanyum matrisine yayılarak tane sınırlarında kırılgan titanyum sülfürler (örn. TiS, TiS₂) oluşturabilir. Bu sülfürler yalnızca metalin sünekliğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda TiO₂ filminin bütünlüğünü de bozarak onu oksijen saldırısına karşı daha duyarlı hale getirir ve oksidasyonu hızlandırır.
Yüksek sıcaklıklarda nitrojen-zengin atmosferler: 500 derecenin üzerinde nitrojen titanyumla reaksiyona girerek yüzeyde ve matris içerisinde sert ve kırılgan titanyum nitrür (TiN) oluşturur. TiN bir miktar oksidasyon direncine sahip olsa da, oluşumu oksit filmde iç gerilime neden olur, bu da çatlamaya ve oksijenin alttaki metale daha fazla sızması için kanallar oluşmasına neden olur.
Döngüsel termal yükleme koşulları
Tekrarlanan ısıtma ve soğutma döngüleri (örneğin, endüstriyel fırınlarda veya sık sık başlatma-durdurma işlemlerine tabi tutulan havacılık motor bileşenlerinde), saf titanyumun oksidasyon direncini ciddi şekilde tehlikeye atar:
TiO₂ filminin ve titanyum substratının termal genleşmesi ve büzülmesi döngüsel strese neden olur ve bu da oksit tabakasında mikro çatlakların oluşmasına ve delaminasyona yol açar.
Her bir termal döngü, film kendi kendini tamamen iyileştiremeden önce taze titanyum metalini oksitleyici atmosfere maruz bırakır-, bu da kümülatif oksidasyon hasarına ve zamanla filmin koruyucu kapasitesinde kademeli bir azalmaya neden olur.
Erimiş tuzların veya düşük-erime-noktalı metal kirleticilerin varlığı
Erimiş tuzlar (örneğin, yüksek-sıcaklıktaki endüstriyel işlemlerde NaCl, Na₂SO₄) veya düşük-erime- noktalı metaller (örneğin alüminyum, magnezyum, kurşun) içeren ortamlarda, saf titanyumun oksidasyon direnci önemli ölçüde azalır:
Erimiş tuzlar elektrolit görevi görerek TiO₂ filmini parçalayan elektrokimyasal korozyona neden olabilir ve aynı zamanda filmin bozulmasını hızlandıran düşük-erime- noktalı titanyum bileşiklerinin oluşumunu kolaylaştırır.
Düşük-erime-noktalı metaller, yüksek sıcaklıklarda titanyum matrisine yayılabilir, ötektik alaşımlar oluşturabilir ve taneler arası gevrekleşmeye neden olabilir, bu da metalin yapısal stabilitesini zayıflatır ve oksit filmi oksidasyon sırasında çatlamaya daha yatkın hale getirir.
