鈦是一種非常活潑的金屬,其平衡電位很低,在介質中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質中很穩定,這是因為鈦與氧的親和力大,在含氧環境中,鈦表面將生成一層致密、附著力強、惰性大的氧化膜,從而保護鈦基體不被腐蝕;即使受到機械磨損也會很快再生,這表明鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。鈦的突出性能是在淡水和海水中有極高的抗蝕性,在海水中的抗蝕性比鋁合金、不銹鋼和鎳基合金都好。鈦與氧所形成高化學穩定性的致密的氧化物保護膜保證了其在低溫和高溫氣體中具有極高的抗蝕性。在室溫條件下,鈦不與氯氣、稀硫酸、稀鹽酸、硝酸和鉻酸作用,在堿溶液和大多數的有機酸和化合物中抗蝕性也很高,但能被氫氟酸、磷酸、熔融堿侵蝕。

1、大氣環境
鈦及鈦合金在大氣中由于表面生成一層氧化物保護膜,所以極耐大氣腐蝕。在海洋大氣中暴曬24年,其平均腐蝕速度小于0.254um/a,幾乎可忽略不計,工業大氣和農村大氣的腐蝕數據相差不多。
2、海水環境
海水中含有Na+、K+、Mg2+、Cl-等10多種離子,有很強的腐蝕性。在海洋中使用的材料,一般要能承受海洋大氣、海水、潮汐(大氣與海水交替作用)和海生物的腐蝕,還要承受海水沖刷與海浪周期性沖擊,因此材料應有良好的耐蝕性和較好的綜合力學性能。另外,如果裝備要浮在水中,低密度和高強度也是很重要的。實驗表明,鋼、不銹鋼、銅、鋁材料在海洋環境中都屬于不耐蝕的材料,使用時必須采用涂層或其他的保護措施,唯有鈦是非常耐蝕而不需涂層保護的結構材料。鈦也是有利于獲得最大浮力結構的材料。每增加1m水深,海水靜壓力增加10.1kPa。為了使殼體在給定的水深有足夠的強度, 必須增加殼體壁厚。
雖然鈦在熱力學上是不穩定的金屬, 其標準電位為-1.63V(SHE) , 但由于氧化膜的鈍化作用,使其腐蝕電位大度正移。飲在25℃天然水中的自腐蝕電位約0.1V(SCE) 。鈦的飩化膜具有非常好的自愈合性。當飩化膜被破壞之后,能迅速地修復,彌合成新的保護膜。因此,鈦能在含氧的液及含勿離子的溶液中保持飩態。
在海洋環境中,飲既耐均勻腐蝕,也抗局部腐蝕。實驗室和工程實踐表明,鈦在不同深度的海水中暴露多年均未測得明顯腐蝕,即便飲表面有仇積物,也不發生縫隙腐蝕和點蝕。海水中存在硫化物也不影響飲的腐蝕性。在海洋大氣,飛測區和潮差區,鈦都不存在腐蝕問題,鈦能抗高速海水的沖蝕,海水中懸浮摩鉚性顆粒對于銅或鋁合金十分有害,但對于鈦影響不大。鈦已被公認為海水中最佳抗空泡腐蝕的金屬材料之一。由于鈦對于海洋生物沒有毒性,海生物在鈦表面附著比較普遍,海生物下面的鈦沒有發生縫隙腐蝕和點蝕,表面仍保持抗腐蝕氧化膜的完整性。鈦在海水中幾乎不發生孔蝕和縫隙腐蝕,因此鈦是海水中使用最合適的材料。因此,無論在靜止海水還是高速流動海水,也無論是清潔海水還是污染海水,甚至含有大量泥砂的海水中,鈦均能保持飩化狀態,表現出極優異的耐蝕性。

鈦及鈦合金在流動海水中耐蝕性很好(表1),在低速(1m/s)海水中,鈦的腐蝕率僅為7.6×10-7mm/a;在高速(20m/s)海水中,腐蝕速度小得難以測量,鈦的腐蝕可以忽略不計;即使當流速達到36m/s時,腐蝕速度仍很低,小于0.01mm/a。在被污染(含硫化物)的靜止海水中,按估算,鈦1000年的腐蝕量也不足0.03mm,即也可忽略不計。雖然海生物易在鈦表面生長附著,它也不影響鈦的耐蝕性。在中性海水中直到130℃,鈦都保持良好耐蝕性,只有在更高的溫度或較低的pH條件下,鈦才有可能發生點蝕或其他局都腐蝕。
表1不同鈦合金耐海水腐蝕性能
合金牌號 | 腐蝕試驗項目 |
海水浸泡腐蝕率/(mm/a) | 高速流動海水腐蝕率(流量<8m/s)/(mm/a) |
Ti31 | 0.00001 | 0 |
Ti75 | 0.00003 | 0 |
Ti80 | 0.00005 | 0 |
TC4 | 0.00007 | 0 |
中國將鈦(TA2、TA5、Ti-75、TC4)在青島、廈門等海域進行的長期腐蝕試驗表明,鈦在海水中有良好耐蝕性。
①在7.45m/s海水流速以下,TA5合金沒有實質意義的腐蝕損耗。
②在10m/s的流動海水中,TA2、TA5、Ti75等合金的腐蝕行為都很輕微,沒有明顯的腐蝕痕跡,腐蝕率均為0.0003mm/a左右。
③在36m/s的流動海水中,所有材料的腐蝕率都很低(≤0.001mm/a)。
表2比較了鈦在海水中的腐蝕性。在較高溫度下,TA9(Ti0.2Pd)合金的耐蝕性最好。在各種海洋環境下,鈦的耐蝕性都遠遠優于鋼、銅合金等傳統材料。
表2 溫度對鈦在模擬海水(鹽水)中均勻腐蝕的影響
(30d試驗;腐蝕率:mm/a)
鈦材牌號 | 70℃ | 150℃ | 250℃ |
Ti-50A | 0.00006 | 0.0026 | 0.014 |
Ti-Code 12
| 0.00007 | 0.00009 | 0.0032 |
TA9(Ti-0.2Pd) | 0.00009 | 0.00003 | 0.0024 |
鈦及鈦合金在淺海和深海中的腐蝕速度見表3。
表3 鈦及鈦合金在淺海和深海中的腐蝕速度
合金 | 距海面深度/m | 腐蝕速度/(mm/a) |
工業純鈦 | 淺海處 | 8×10-7 |
720~2070 | <2.5×10-4 |
1300~1370 | <2.5×10-4 |
1720 | 4.0×10-5 |
Ti-6Al-4V | 1.5~2070 | <2.5×10-4 |
1720 | 8.0×10-6 |
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