Wanneer neemt de oxidatieweerstand van puur titanium af?
Verhoogde temperaturen voorbij de kritische drempel
Zuiver titanium vertoont een goede oxidatieweerstand bij temperaturen onder 400 graden, omdat de TiO₂-film op het oppervlak dicht en hechtend blijft, waardoor verdere zuurstofinfiltratie effectief wordt geblokkeerd. Wanneer de temperatuur echter boven de 400 graden komt, verandert het oxidatiegedrag van puur titanium drastisch:
Bij 400–600 graden: De TiO₂-film begint snel in dikte te groeien en de structuur ervan transformeert van een dichte, beschermende rutielfase naar een meer poreuze anataas- of brookietfase in gelokaliseerde gebieden. Ondertussen diffundeert een kleine hoeveelheid interstitiële zuurstofatomen in de titaniummatrix en vormt een broze, met zuurstof verrijkte laag- onder de oxidefilm, die de structurele integriteit van het metaal verzwakt en tegelijkertijd het barrière-effect van de film vermindert.
Boven 600 graden: Het oxidatieproces komt in een "parabolische-naar-lineaire" overgangsfase. De TiO₂-film verliest zijn beschermende eigenschappen volledig als gevolg van ernstige scheuren en afbrokkelen veroorzaakt door thermische spanning (als gevolg van mismatches in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen de oxidefilm en het titaniumsubstraat). Zuurstof dringt versneld de matrix binnen, en de vorming van oxidelagen met lage{4}}adhesie (zoals Ti₂O₃ en TiO in de sub-oppervlaktezone) leidt tot catastrofale oxidatie van puur titanium, waarbij de oxidatiesnelheid exponentieel toeneemt met de temperatuur.
Omgevingen met hoge- temperaturen en specifieke corrosieve gasverontreinigingen
Zelfs als de temperatuur binnen het nominale "veilige bereik" ligt (lager dan 400 graden), zal de aanwezigheid van bepaalde corrosieve gasonzuiverheden de oxidatieweerstand van puur titanium drastisch verslechteren:
Chloor-bevattende gassen (bijv. Cl₂, HCl-damp): Chloride-ionen kunnen de TiO₂-film binnendringen via microscheuren of korrelgrenzen, en reageren met titanium om vluchtige titaniumchloriden te vormen (bijv. TiCl₄). Dit 'actieve corrosie'-mechanisme vernietigt de continuïteit van de passieve film en verhindert de zelfgenezing ervan, wat zelfs bij gematigde temperaturen tot plaatselijke putjes of uniforme corrosie leidt.
Zwavel-bevattende gassen (bijv. SO₂, H₂S): Bij temperaturen boven 300 graden kunnen zwavelatomen in de titaniummatrix diffunderen en broze titaniumsulfiden (bijv. TiS, TiS₂) vormen aan de korrelgrenzen. Deze sulfiden verminderen niet alleen de taaiheid van het metaal, maar verstoren ook de integriteit van de TiO₂-film, waardoor deze gevoeliger wordt voor aantasting door zuurstof en het versnellen van oxidatie.
Stikstof-rijke atmosferen bij hoge temperaturen: Boven de 500 graden reageert stikstof met titanium en vormt hard en bros titaniumnitride (TiN) op het oppervlak en in de matrix. Hoewel TiN enige oxidatieweerstand heeft, veroorzaakt de vorming ervan interne spanning in de oxidefilm, wat leidt tot scheuren en kanalen waardoor zuurstof het onderliggende metaal verder kan infiltreren.
Cyclische thermische belastingsomstandigheden
Herhaalde verwarmings- en koelcycli (bijvoorbeeld in industriële ovens of onderdelen van lucht- en ruimtevaartmotoren die regelmatig starten{2}}stop-bewerkingen ondergaan) brengen de oxidatieweerstand van puur titanium ernstig in gevaar:
Thermische uitzetting en samentrekking van de TiO₂-film en het titaniumsubstraat veroorzaken cyclische spanning, wat leidt tot de vorming van microscheuren en delaminatie in de oxidelaag.
Bij elke thermische cyclus wordt vers titaniummetaal blootgesteld aan de oxiderende atmosfeer voordat de film zichzelf volledig kan herstellen-, wat resulteert in cumulatieve oxidatieschade en een geleidelijke vermindering van het beschermende vermogen van de film in de loop van de tijd.
Aanwezigheid van gesmolten zouten of metaalverontreinigingen met een laag-smeltpunt-
In omgevingen die gesmolten zouten bevatten (bijv. NaCl, Na₂SO₄ in industriële processen met hoge- temperaturen) of metalen met een laag-smeltpunt- (bijv. aluminium, magnesium, lood), wordt de oxidatieweerstand van puur titanium aanzienlijk verminderd:
Gesmolten zouten kunnen fungeren als elektrolyten en elektrochemische corrosie veroorzaken die de TiO₂-film afbreekt, terwijl ze ook de vorming van titaniumverbindingen met een laag -smeltpunt- vergemakkelijken die het falen van de film versnellen.
Metalen met een laag-smeltpunt- kunnen bij hoge temperaturen in de titaniummatrix diffunderen, waardoor eutectische legeringen worden gevormd en intergranulaire verbrossing ontstaat, wat de structurele stabiliteit van het metaal verzwakt en de oxidefilm gevoeliger maakt voor barsten tijdens oxidatie.
