티타늄의 틈새 부식 특성 및 패턴
틈새 부식은 일반적으로 꼭 맞는 틈에서 발생하는 국부적인 부식 현상입니다.- 이러한 틈은 구조 설계(예: 플랜지 연결, 개스킷 표면, 튜브{2}}대-튜브 시트 확장, 볼트 또는 리벳 연결부) 또는 스케일 형성 및 표면을 덮는 침전물로 인해 발생할 수 있습니다. 초기 연구에서는 티타늄이 해수 및 염수 분무 환경에서 틈새 부식을 겪지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 이후 연구에 따르면 티타늄 장비는 고온 염화물 매질(예: 해수 열 교환기), 습식 염소 가스(예: 습식 염소 가스 쉘- 및-튜브 응축기), 염산 용액, 포름산 및 옥살산 용액을 함유한 산화 억제제-에서 틈새 부식이 발생할 수 있는 것으로 나타났습니다.
티타늄의 틈새 부식은 환경 온도, 염화물 유형 및 농도, pH 값, 틈새 크기 및 기하학적 형태를 포함한 여러 요인의 영향을 받습니다. 더욱이, 티타늄과 비{1}}금속 재료(예: PTFE 또는 석면) 사이에 형성된 틈새는 티타늄 표면 사이에 형성된 틈새보다 틈새 부식에 더 취약합니다.
티타늄 틈새 부식의 특성 및 패턴
1. 잠복기의 존재
틈새 부식은 일반적으로 잠복기를 거치는데, 그 기간은 환경 온도, 염화물 유형 및 농도, 산화제 농도, 접촉 물질, 용액 pH 및 틈새 치수와 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다. 염화나트륨 용액에서는 염화물 이온 농도가 높아지고 온도가 높아지며 pH가 낮아지면 잠복기가 짧아져 부식이 더욱 민감해집니다.
2. 틈새솔루션 구성의 변화
틈새 내부 용액의 조성은 벌크 용액의 조성과 다릅니다. 일반적으로 틈새 내부의 산소 농도는 더 낮고, 염화물 및 수소 이온 농도는 더 높기 때문에 pH가 크게 감소합니다(1 미만으로 떨어질 수 있음). 또한 틈새 내부의 전극 전위는 더욱 음이 되어 티타늄을 더욱 활성화시킵니다. 전기화학적 연구에 따르면 티타늄의 틈새 부식 민감성은 Cl⁻ > Br⁻ > I⁻ 순서를 따릅니다. 이는 티타늄의 공식 부식 거동과 달리 염화물 환경이 가장 높은 위험을 초래한다는 것을 의미합니다.
3. 국부적인 부식특성
틈새 부식은 일반적으로 전체 표면이 아닌 틈 내의 특정 영역에서 발생합니다. 잠복기가 끝나면 자가촉매 메커니즘에 의해 부식이 급속히 진행되어 결국 국부적인 천공 및 파손으로 이어진다.
4. 수소흡수현상
틈새 부식 중에 수소 흡수가 종종 관찰되며 현미경 검사를 통해 티타늄의 바늘-수소화물이 드러날 수 있습니다. 수소 함량이 증가하면 표면 수소화물이 축적되어 부식이 가속화됩니다. 한편, 수소는 금속으로 확산되고 내부 수소화물 석출은 응력 부식 균열의 균열 시작 지점 역할을 하여 재료 취성 및 파손 위험을 증가시킬 수 있습니다.
5. 부식 과정의 단계
티타늄 틈새 부식은 두 단계로 발생합니다.
잠복 기간: 초기에는 음극반응을 통해 틈새 내부와 외부에서 산소가 동일하게 소비됩니다. 틈새 내부의 산소가 고갈됨에 따라 음극 반응은 외부에서만 진행되는 반면, 티타늄의 양극 용해는 틈새 내부에서 지배적입니다.
활성 해산 기간: 틈새에 티타늄 이온이 지속적으로 축적되면서 염화물 이온이 내부로 이동하여 전하 균형을 유지합니다. 티타늄 이온은 가수분해되어 수산화티타늄(Ti(OH)₄)을 형성하고 이것이 탈수되어 TiO2로 변합니다. 가수분해 반응은 pH를 낮추어 부동태 피막을 더욱 파괴하고 부식을 가속화합니다.
6. 틈새 기하학의 영향
틈새 부식은 틈새 길이, 너비, 내부 표면적과 외부 표면적의 비율과 같은 기하학적 요인의 영향을 받습니다. 실험 결과에 따르면 좁은 틈새(폭 0.5mm 미만)는 넓은 틈새보다 부식되기 훨씬 더 쉽습니다. 이러한 효과는 이론적 예측보다는 구체적인 실험적 연구를 통해 결정되어야 합니다.
7. 예방 조치
무기산을 감소시켜 티타늄의 내식성을 향상시키고 틈새 부식 민감성을 줄이기 위해 Ti{0}}Pd 및 Ti{1}}Ni{2}}Mo와 같은 티타늄 합금이 일반적으로 사용됩니다. 이는 상업적으로 순수한 티타늄, 특히 Ti{3}}Pd 합금에 비해 우수한 성능을 제공하기 때문입니다. 또한 다음과 같은 표면 처리를 통해 티타늄의 틈새 부식 저항성을 강화할 수 있습니다.
팔라듐 코팅: 틈새부분에 팔라듐 코팅을 적용하여 내식성을 강화하였습니다.
열산화 처리: 안정된 산화피막을 형성하여 내식성을 향상시킵니다.
양극 산화: 보호막을 강화하여 내식성을 높였습니다.
결론
티타늄 틈새 부식은 환경 요인, 용액 구성, 틈새 형상의 영향을 받으며 배양 및 활성 용해 단계를 통해 진행됩니다. 틈새 부식의 자기촉매적 특성으로 인해 부식이 시작되면 빠르게 진행되어 장비 고장으로 이어집니다. 위험도가 높은 환경에서는 적절한 합금 재료를 선택하고, 구조 설계를 최적화하고, 적절한 표면 처리를 사용하여 티타늄 틈새 부식 위험을 효과적으로 완화할 수 있습니다.
