순수 티타늄의 산화 저항은 언제 감소합니까?

임계 임계값을 초과하는 온도 상승

순수 티타늄은 표면의 TiO2 필름이 조밀하고 접착력을 유지하여 추가적인 산소 침투를 효과적으로 차단하므로 400도 이하의 온도에서 우수한 내산화성을 나타냅니다. 그러나 온도가 400도를 초과하면 순수 티타늄의 산화 거동이 급격하게 변합니다.

400~600도에서: TiO2 필름의 두께가 빠르게 성장하기 시작하며, 그 구조는 조밀하고 보호적인 루틸 상에서 국부적인 영역에서 보다 다공성인 아나타제 또는 브루카이트 상으로 변화합니다. 한편, 소량의 격자간 산소 원자가 티타늄 매트릭스로 확산되어 산화막 아래에 부서지기 쉬운 산소-부화 층을 형성합니다. 이는 금속의 구조적 완전성을 약화시키는 동시에 막의 장벽 효과를 감소시킵니다.

600도 이상: 산화 과정은 "포물선형-에서-선형"으로의 전환 단계로 들어갑니다. TiO2 필름은 열 응력(산화막과 티타늄 기판 사이의 열팽창 계수 불일치로 인해 발생)으로 인한 심각한 균열 및 박리로 인해 보호 특성을 완전히 잃습니다. 산소는 가속된 속도로 매트릭스에 침투하고 낮은 접착력을 갖는 산화물 층(예: 하위- 표면 영역의 Ti2O₃ 및 TiO)의 형성은 순수 티타늄의 치명적인 산화를 초래하며 산화 속도는 온도에 따라 기하급수적으로 증가합니다.

특정 부식성 가스 불순물이 있는 고온-환경

온도가 공칭 "안전 범위"(400도 미만) 내에 있더라도 특정 부식성 가스 불순물이 존재하면 순수 티타늄의 산화 저항이 크게 저하됩니다.

염소{0}}함유 가스(예: Cl2, HCl 증기): 염화이온은 미세균열이나 결정립계를 통해 TiO2 피막에 침투하여 티타늄과 반응하여 휘발성 염화티타늄(예: TiCl₄)을 형성할 수 있습니다. 이러한 "활성 부식" 메커니즘은 부동태 피막의 연속성을 파괴하고 자가 치유를 방해하여-중간 온도에서도 국부적인 공식 또는 균일한 부식을 초래합니다.

황{0}}함유 가스(예: SO2, H2S): 300도 이상의 온도에서는 황 원자가 티타늄 매트릭스로 확산되어 결정립 경계에 부서지기 쉬운 티타늄 황화물(예: TiS, TiS2)을 형성할 수 있습니다. 이러한 황화물은 금속의 연성을 감소시킬 뿐만 아니라 TiO2 필름의 무결성을 방해하여 산소 공격에 더욱 취약해지고 산화를 가속화합니다.

고온에서 질소가{0}}풍부한 대기: 500도 이상에서 질소는 티타늄과 반응하여 표면과 매트릭스 내부에 단단하고 부서지기 쉬운 질화티타늄(TiN)을 형성합니다. TiN은 어느 정도 산화 저항성을 갖고 있지만 TiN이 형성되면 산화막에 내부 응력이 발생하여 균열이 발생하고 산소가 기본 금속에 더 침투할 수 있는 채널이 생성됩니다.

순환 열부하 조건

반복적인 가열 및 냉각 주기(예: 빈번한 시작-정지 작업을 겪는 산업용 용광로 또는 항공우주 엔진 부품)는 순수 티타늄의 산화 저항을 심각하게 손상시킵니다.

TiO2 필름과 티타늄 기판의 열팽창과 수축으로 인해 주기적 응력이 발생하여 산화층에 미세균열과 박리가 발생합니다.

각 열 주기는 필름이 완전히 자가 치유되기 전에 새로운 티타늄 금속을 산화 대기에 노출시켜-산화 손상이 누적되고 시간이 지남에 따라 필름의 보호 능력이 점진적으로 감소합니다.

용융염 또는 저-융점-금속 오염물질 존재

용융염(예: NaCl, 고온 산업 공정의 Na2SO₄) 또는 낮은-융점-금속(예: 알루미늄, 마그네슘, 납)이 포함된 환경에서는 순수 티타늄의 산화 저항이 크게 저하됩니다.

용융염은 전해질 역할을 하여 TiO2 필름을 분해하는 전기화학적 부식을 유도하는 동시에 필름 손상을 가속화하는 저-융점-티타늄 화합물의 형성을 촉진합니다.

저-융점-금속은 고온에서 티타늄 매트릭스로 확산되어 공융 합금을 형성하고 입계 취성을 유발할 수 있습니다. 이는 금속의 구조적 안정성을 약화시키고 산화 중에 산화막이 균열되기 더 쉽게 만듭니다.