鈦的介紹

金屬鈦是一種很有潛力的金屬，由于它特有的性質和特點，因此，在未來的國民經濟發(fā)展中將起著不可替代的作用。

地球表面十公里厚的地層中，含鈦達千分之六，比銅多61倍，在地殼中的含量排第十位（地殼中元素排行：氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫、鈦）。隨便從地下抓起一把泥土，其中都含有千分之幾的鈦，世界上儲量超過一千萬噸的鈦礦并不稀罕。鈦的硬度與鋼鐵差不多，而它的重量幾乎只有同體積的鋼鐵的一半，鈦雖然稍稍比鋁重一點，它的硬度卻比鋁大2倍。鈦的導熱性和導電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導性，純鈦的超導臨界溫度為0.38-0.4K。鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50-60%，斷面收縮率可達70-80%，但強度低，不宜作結構材料。鈦中雜質的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強度，顯著降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴格控制其中適當?shù)碾s質含量和添加合金元素而達到的?，F(xiàn)在，在宇宙火箭和導彈中，就大量用鈦代替鋼鐵。據(jù)統(tǒng)計，目前世界上每年用于宇宙航行的鈦，已達一千噸以上。極細的鈦粉，還是火箭的好燃料，所以鈦被譽為宇宙金屬，空間金屬。

但是鈦很活潑，加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。液態(tài)鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中制得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。因此，鈦的最大缺點是難于提煉，要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件，由于鈦在高溫下化合能力極強，因此，不論在冶煉或者鑄造的時候，人們都小心地防止這些元素“侵襲”鈦。在冶煉鈦的時候，空氣與水當然是嚴格禁止接近的，甚至連冶金上常用的氧化鋁坩堝也禁止使用，因為鈦會從氧化鋁里奪取氧?，F(xiàn)在，人們利用鎂與四氯化鈦在惰性氣體——氦氣或氬氣中相作用，來提煉鈦。這樣，制備出純鈦的成本將會很高。

因此，綜合考慮，鈦主要用于對稱本要求不高的場合。例如，航天、航空、航海、深海探測等。

鈦的常溫腐蝕

鈦是一種非?；顫姷慕饘?，因此其平衡電位很低，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(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質中是耐腐蝕的。這是因為鈦和氧有很大的親和力，在空氣中或含氧的介質中，鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜，保護了鈦基體不被腐蝕。即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。因此，在有氧的環(huán)境下，鈦具有很強的耐腐蝕性。

1. 酸的腐蝕

（a）鹽酸：常溫下，濃度<5%的鹽酸在室溫下不與鈦反應，20%的鹽酸在常溫下與鈦發(fā)生反應。當溫度長高時，稀鹽酸也會腐蝕鈦。鈦雖然不耐鹽酸溶液的腐蝕，但也可通過合金化，陽極鈍化和添加緩蝕劑等方法來提高鈦材的耐腐蝕能力。所以在生產實踐中，鈦材仍有使用價值。（b）硫酸：在常溫下，鈦對低溫低濃度的硫酸溶液有一定的耐腐蝕，在約40%的硫酸對鈦的腐蝕速度最快，當濃度大于40%，達到60%時腐蝕速度反而變慢，80%又達到最快。加熱的稀酸或50%的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦。鈦在硫酸中的耐腐蝕性可通過向溶液中通入空氣、氮氣或添加氧化劑、高價重金屬離子來改善，因此，鈦在硫酸中無太大的實用價值。（c）硝酸和王水：致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩(wěn)定性，這是由于硝酸能快速在鈦表面生成一層牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特別是海綿鈦或粉末鈦，可與次、熱稀硝酸發(fā)生反應，而且，溫度升高時，兩者都會與之反應。

2. 海水對鈦的腐蝕

鈦在海水中，很穩(wěn)定，不容易被海水腐蝕，是由于鈦表面的一層致密的氧化膜，抵擋住氯離子對鈦基體的侵蝕。經過試驗，鈦在不同深度的海水中暴露多年均未測得明顯腐蝕。即使鈦表面有沉積物，也不發(fā)生縫隙腐蝕和點蝕。海水中存在硫化物也不影響鈦的腐蝕性。在海洋大氣，飛濺區(qū)和潮差區(qū)，鈦都不存在腐蝕問題。鈦也能抗高速海水的沖蝕。海水中懸浮摩擦性顆粒對于銅或鋁合金十分有害，但對于鈦影響不大。鈦也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(fā)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(fā)生孔蝕和縫隙腐蝕，因此鈦是海水中使用最合適的材料。正由于這種良好的性質，鈦被用于制造螺槳軸、索具及用于海水淡化廠的換熱器；還被用于咸水水族館的冷熱水器、釣魚線及潛水用刀。鈦被用于制造海洋監(jiān)視部署的住房及其他元件，及用于以及科學用或軍用的監(jiān)察儀。前蘇聯(lián)研發(fā)出主要用鈦制造潛艇的技術。但溫度上升到90攝氏度時，鈦在海水中就變得不再穩(wěn)定，開始發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

鈦在高溫下的腐蝕

鈦的高溫耐腐蝕性，取決于所處介質的特性和自身表面氧化膜的性能。鈦在空氣或氧化性氣氛中，作結構材料能使用到426 ℃，但在250 ℃左右時，鈦開始明顯地吸氫，在完全的氫氣氣氛中，當溫度升高到316 ℃以上時，鈦吸氫變脆。因此，在沒有經過廣泛試驗的情況下，鈦不宜作溫度高于330 ℃以上的化工設備使用，從吸氫及機械性能等考慮，全鈦壓力容器其使用溫度不得超過250 ℃，熱交換器用鈦管使用溫度上限約為316 ℃。在500-800℃之間，通過實驗證明，鈦的腐蝕速度與溫度成正比。經過研究，鈦隨溫度升高，表面的氧化膜完整性降低。

鈦的局部腐蝕特性

1. 縫隙腐蝕

鈦的耐縫隙腐蝕性能特別強，只有在少數(shù)的化工介質中發(fā)生縫隙腐蝕。鈦的縫隙腐蝕與溫度、氯化物濃度、pH 值以及縫隙的尺寸有密切的關系。據(jù)有關資料介紹，濕氯氣的溫度在85 ℃以上時易產生縫隙腐蝕。例如某些廠在冷卻器前先用一個填料塔直接冷卻使?jié)衤葰鉁囟冉抵?5～70 ℃后，再進入鈦制冷卻器，以提高抗縫隙腐蝕，效果也很顯著。實踐證明: 降低溫度是防止縫隙腐蝕行之有效的方法。總的說來，狹窄的間隙發(fā)生縫隙腐蝕可能性要比寬間隙大得多，在某一寬縫時，鈦的縫隙腐蝕達到極值。當縫隙很小時，由于腐蝕介質不能潤濕縫隙內表面，即使是浸潤了內表面，其流動受到限制，鈦的氧化膜仍未遭到破壞；如果縫隙較大，氧的擴散相當迅速，足以使鈦鈍化。因此當縫隙很小或較大時，都不會導致縫隙腐蝕的發(fā)生。

2. 應力腐蝕

除個別的幾種介質外，工業(yè)純鈦耐應力腐蝕極好，受應力腐蝕導致鈦設備損壞的現(xiàn)象還是罕見的。工業(yè)鈍鈦只有在發(fā)煙硝酸，某些甲醇溶液或某些鹽酸溶液，高溫次氯酸鹽， 溫度為300～450 ℃的熔鹽或含NaCl氣氛，二硫化碳，正己烷及干氯氣等介質中才產生應力腐蝕。

在濃硝酸中含有高于6.0% NO2和低于0.7% H2O 時，既使在室溫的情況下，工業(yè)純鈦也會發(fā)生應力腐蝕破裂。我國在98%濃硝酸中使用鈦設備時曾發(fā)生過嚴重的應力腐蝕和爆炸。鈦雖然在某些特殊介質中有應力腐蝕破壞現(xiàn)象，但與其他金屬相比，鈦對應力腐蝕破裂的抵抗力還是良好的。鈦在發(fā)生應力腐蝕時，隨著表面鈍化，會產生很大的拉應力，從而在較低的外應力下位錯開始運動。當腐蝕促進的局部塑性變形發(fā)展到臨界狀態(tài)，位錯塞積群前端的應力集中等于原子鍵合力，導致微裂紋形核!裂紋形核后，因其尖端基體的費米能級高于裂紋其他區(qū)域，裂紋尖端處的電極電位較低，在腐蝕介質的作用下，裂紋尖端金屬發(fā)生陽極分解。一方面氫使裂紋的表面能降低，在外力作用下，為了與外力平衡斷面將會擴大。另一方面氫使裂紋尖端處與裂紋其他區(qū)域的費米能級之差加大，增大腐蝕電位差，促進應力腐蝕的發(fā)展。

3. 氫脆腐蝕

鈦是一種活性金屬，它與氫反應不僅在表面而且擴散到鈦內部，當鈦中的氫濃度達到能形成獨立的氫化鈦相時，鈦將會脆化。氫可能在鈦材使用之前就存在于金屬內，也可能在氫氣或含氫介質中使用而吸收了氫。因此，在實際使用鈦制設備的過程中，應特別注意氫脆，以免設備遭受破壞。

一般來說，鈦中的氫分為內氫和外氫兩種。內氫是指鈦在冶煉，熱加工，熱處理，酸洗，電鍍等過程中引入的氫；而鈦原來不含氫或者含氫很少，但在使用時由于從外界環(huán)境中引入的氫叫外氫，具體的說是通過以下幾種途徑在金屬表面產生活性氫原子，然后進入金屬中。(1) 鈦制設備所處的介質中含有分子氫，例如高溫氫氣氛。(2)鈦發(fā)生全面腐蝕或者局部腐蝕產生的氫被鈦吸收。例如鈦的縫隙腐蝕常伴隨著吸氫。(3) 鈦與負電性金屬發(fā)生電偶腐蝕或陰極保護過保護時產生的氫。后兩種由電化學腐蝕陰極引起的鈦氫脆更頻繁，而且不需要高溫高壓就可以發(fā)生，更應引起重視。

鈦材的氫脆受許多因素影響，其主要的影響因素有氫含量，應變率、應力、應力集中程度，介質溫度和環(huán)境等等。當鈦表面被金屬鐵污染時，會增大鈦的吸氫量。因為鐵可以和鈦基體形成腐蝕微電池，在腐蝕反應中產生初生態(tài)氫，增加了氫進入的活性點和活性通道，使氫的侵入更為容易，而且破壞的膜也不容易修復。溫度對鈦吸氫的影響主要體現(xiàn)在提高鈦與氫的反應速度和氫在其中的擴散速度。低溫下，氫在鈦中的擴散速度很小。但在較高溫度下(大于80 ℃) ，吸氫會變得明顯。大于300 ℃，鈦與氫反應速度急劇加快，生成大量氫化物而使鈦發(fā)生明顯的氫脆。在氫氣氛中溫度超過316 ℃，一般不推薦使用鈦制設備。根據(jù)以上影響因素可采取降低鈦材中的含氫量，增大鈦材的氫固溶度，減少鈦材的表面污染，降低鈦材中的鐵含量，消除殘余應力等方法，減少氫脆腐蝕的發(fā)生。

4. 點腐蝕

點腐蝕的產生，取決于能發(fā)生點腐蝕部件的氧化膜的破壞程度，這種腐蝕在有縫隙的部位易產生。鈦材料表面的鈍化膜局部被破壞后不能自鈍化，引起表面電化學不均勻性，導致腐蝕在一些部位深入發(fā)展，形成點狀的局部腐蝕。如在氯化鋅溶液中使用鈦制交換器時，在與鐵接觸的部位易產生點腐蝕;在氯化鈉溶液中，鈦制熱交換器也有輕微的點腐蝕;聚四氟塑料墊圈與鈦部件構成縫隙的部位，是最容易產生點腐蝕的場所;鈦在氯化鈣及氯化鋁溶液中也有點腐蝕現(xiàn)象，但是腐蝕發(fā)生在一定的濃度和溫度范圍內，此外，因不恰當?shù)臒崽幚?，熱加工成型及焊接出現(xiàn)變色的部位和鐵等污染部位也常產生點腐蝕現(xiàn)象。高溫中等濃度的氯化物溶液是使鈦材料產生點蝕的主要介質，如100℃，25％濃度氯化鋁溶液、175 ℃，75％濃度氯化鈣溶液、103rC，40％濃度氯化銨溶液等，都發(fā)生過因點腐蝕而使設備破壞的事例。一般溫度低于80℃，不易發(fā)生點腐蝕。鐵、銅等金屬污染鈦材料的表面，增加點腐蝕傾向。防止措施是采用含氧量高的純鈦，鈦制設備投入使用前應進行酸洗，大氣熱氧化等處理。

5. 電偶腐蝕

在電解質中，鈦和其他金屬接觸組成電偶，則低惰性或正極的金屬發(fā)生腐蝕。由于鈦的鈍化膜存在，保證了鈦在電偶中成為陰極不發(fā)生腐蝕。鈦作為陰極時，陽極金屬的表面積越小，其電流密度越大，腐蝕越顯著。但是在鹽酸或硫酸中，鈦和鋁組成電偶耐，由于鋁的腐蝕改變了鈦電勢，導致了鈦的迅速腐蝕。

總結

在不同的環(huán)境下、不同的條件下，鈦的腐蝕過程和結果也是不同的，因此，要想發(fā)揮鈦的最佳性能，就要控制好鈦的使用條件。