Wovor hat Titanlegierung „Angst“?

Titanlegierungen sind Legierungen auf Titanbasis, denen andere Elemente zugesetzt wurden. Titanlegierungen zeichnen sich durch geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und gute Prozesseigenschaften aus. Sie sind ein ideales Konstruktionsmaterial für die Luft- und Raumfahrt. Viele Länder der Welt haben die Bedeutung von Titanlegierungen erkannt, sukzessive Forschung und Entwicklung daran betrieben und praktische Anwendung gefunden.

Geschichte der Entwicklung von Titanlegierungen

① Die erste praktische Titanlegierung war die Ti-6Al-4V-Legierung, die 1954 in den USA erfolgreich entwickelt wurde. Aufgrund ihrer guten Hitzebeständigkeit, Festigkeit, Plastizität, Zähigkeit, Formbarkeit, Schweißbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität wurde sie zur Trumpflegierung in der Titanlegierungsindustrie. Die Verwendung dieser Legierung machte 75 bis 85 % aller Titanlegierungen aus. Viele andere Titanlegierungen können als Modifikationen der Ti-6Al-4V-Legierung angesehen werden.

② In den 1950er und 1960er Jahren wurden vor allem Hochtemperatur-Titanlegierungen für Flugzeugtriebwerke und Struktur-Titanlegierungen für Flugzeugrümpfe entwickelt. In den 1970er Jahren wurde eine Reihe korrosionsbeständiger Titanlegierungen entwickelt. Seit den 1980er Jahren wurden korrosionsbeständige Titanlegierungen und hochfeste Titanlegierungen weiterentwickelt. Die Betriebstemperatur hitzebeständiger Titanlegierungen stieg von 400 °C in den 1950er Jahren auf 600–650 °C in den 1990er Jahren. Das Aufkommen von Legierungen auf Basis von A2 (Ti3Al) und r (TiAl) hat den Einsatz von Titan in Motoren vom kalten Ende (Lüfter und Kompressor) zum heißen Ende (Turbine) des Motors verlagert. Struktur-Titanlegierungen entwickeln sich in Richtung hoher Festigkeit, hoher Plastizität, hoher Zähigkeit und hoher Zähigkeit, hohem Elastizitätsmodul und hoher Schadenstoleranz.

③ Darüber hinaus sind seit den 1970er Jahren auch Formgedächtnislegierungen wie Ti-Ni, Ti-Ni-Fe und Ti-Ni-Nb aufgetaucht und werden in der Technik zunehmend häufiger eingesetzt.

Weltweit wurden Hunderte von Titanlegierungen entwickelt, und es gibt 20 bis 30 der bekanntesten Legierungen, wie z. IMI829, IMI834 usw.

Korrosionsformen von Titanlegierungen

Es ist bekannt, dass Titan korrosionsbeständig ist, aber in tatsächlichen Produktionsumgebungen unterliegen Titanlegierungen verschiedenen Arten von Korrosion. Schauen wir uns an, wovor die unzerstörbare Titanlegierung am meisten Angst hat:

1. Spaltkorrosion

In den Spalten oder Defekten von Metallkomponenten kommt es aufgrund der Stagnation von Elektrolyten, die elektrochemische Zellen bilden, zu lokaler Korrosion[i]. In neutralen und sauren Lösungen ist die Wahrscheinlichkeit von Kontaktkorrosion in den Spalten von Titanlegierungen viel größer als in alkalischen Lösungen. Kontaktkorrosion tritt nicht auf der gesamten Spaltoberfläche auf, führt jedoch schließlich zu lokalen Perforationsschäden.

2. Lochfraßphänomen

In den meisten Salzlösungen weist Titan keine Lochkorrosion auf. Sie tritt hauptsächlich in nicht-wässrigen Lösungen und kochenden hochkonzentrierten Chloridlösungen auf. Halogenionen in der Lösung korrodieren den Passivierungsfilm auf der Titanoberfläche[ii] und diffundieren in das Titan, was zu Lochkorrosion führt. Die Lochkorrosionsöffnung ist kleiner als ihre Tiefe, und einige organische Medien verursachen auch Lochkorrosion mit Titanlegierungen in Halogenlösungen. Lochkorrosion von Titanlegierungen in Halogenlösungen tritt normalerweise in Umgebungen mit hoher Konzentration und hohen Temperaturen auf. Darüber hinaus erfordert Lochkorrosion in Sulfiden und Chloriden bestimmte Bedingungen und ist begrenzt.

3. Wasserstoffversprödung

Wasserstoffversprödung, auch als wasserstoffinduzierte Rissbildung oder Wasserstoffschaden bekannt, ist eine der Ursachen für frühzeitige Schäden und Versagen von Titanlegierungen. Der Passivierungsfilm auf der Oberfläche von Titan und seinen Legierungen weist eine hohe Festigkeit auf. Die Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit nimmt mit zunehmender Festigkeit zu, daher ist die Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit des Passivierungsfilms sehr hoch.

4. Kontaktkorrosion

Der passive Oxidfilm auf der Oberfläche fördert die Verschiebung des Titanpotentials zum positiven Potential, was die Korrosionsbeständigkeit von Titanmaterialien gegenüber Säuren und wässrigen Medien verbessert. Aufgrund des hohen Potentials auf der Oberfläche der Titanlegierung wird es zwangsläufig dazu führen, dass andere Metalle, die mit ihr in Kontakt kommen, einen elektrochemischen Schaltkreis bilden und Kontaktkorrosion verursachen.

Titanlegierungen sind in den folgenden zwei Medientypen anfällig für Kontaktkorrosion: Der erste Typ ist Leitungswasser, Salzlösung, Meerwasser, Atmosphäre, HNO3, Essigsäure usw. Das stabile Elektrodenpotential von Cd, Zn und Al in dieser Lösung ist negativer als das von Ti, und die anodische Korrosionsrate erhöht sich um das 6- bis 60-fache; der zweite Typ ist H2SO4, HCl usw. Titan kann in diesen Lösungen in einem passivierten oder einem aktivierten Zustand vorliegen. Die erste Art der Lösungskorrosion ist im eigentlichen Kontaktkorrosionsprozess üblich. Anodisieren wird normalerweise verwendet, um eine modifizierte Schicht auf der Oberfläche des Substrats zu bilden, um Kontaktkorrosion zu verhindern.

Die Haupteinschränkung von Titan und Titanlegierungen ist ihre geringe chemische Reaktivität mit anderen Materialien bei hohen Temperaturen. Diese Eigenschaft zwingt Titanlegierungen dazu, sich von den üblichen traditionellen Raffinations-, Schmelz- und Gusstechnologien abzuwenden und verursacht sogar oft Schäden an der Form, was den Preis von Titanlegierungen sehr hoch macht. Daher wurde es anfangs hauptsächlich in Hightech-Industriebereichen wie Flugzeugstrukturen, Flugzeugen sowie der Erdöl- und Chemieindustrie eingesetzt.

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