Milloin puhtaan titaanin hapettumiskestävyys laskee?
Korkeat lämpötilat yli kriittisen kynnyksen
Puhtaalla titaanilla on hyvä hapettumisenkestävyys alle 400 asteen lämpötiloissa, koska TiO2-pintakalvo pysyy tiiviinä ja tarttuvana, mikä estää tehokkaasti hapen lisätunkeutumisen. Kuitenkin, kun lämpötila ylittää 400 astetta, puhtaan titaanin hapettumiskäyttäytyminen muuttuu dramaattisesti:
400-600 asteessa: TiO₂-kalvon paksuus alkaa kasvaa nopeasti, ja sen rakenne muuttuu tiheästä, suojaavasta rutiilifaasista huokoisemmaksi anataasi- tai brookiittifaasiksi paikallisilla alueilla. Samaan aikaan pieni määrä interstitiaalisia happiatomeja diffundoituu titaanimatriisiin muodostaen hauraan happi-rikastetun kerroksen oksidikalvon alle, mikä heikentää metallin rakenteellista eheyttä ja vähentää samalla kalvon estovaikutusta.
Yli 600 astetta: Hapetusprosessi siirtyy "paraboliseen -lineaariseen"-siirtymävaiheeseen. TiO₂-kalvo menettää suojaominaisuuksiensa kokonaan johtuen lämpörasituksen aiheuttamasta vakavasta halkeilusta ja halkeilusta (johtuen oksidikalvon ja titaanisubstraatin lämpölaajenemiskertoimien epäyhtenäisyydestä). Happi tunkeutuu matriisiin kiihtyvällä nopeudella, ja alhaisen -adheesion omaavien oksidikerrosten muodostuminen (kuten Ti2O3 ja TiO pintavyöhykkeellä-) johtaa puhtaan titaanin katastrofaaliseen hapettumiseen, jolloin hapetusnopeus kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan myötä.
Korkean{0}}lämpötilojen ympäristöt, joissa on tiettyjä syövyttäviä kaasuepäpuhtauksia
Vaikka lämpötila olisi nimellis "turvallisella alueella" (alle 400 astetta), tiettyjen syövyttävien kaasuepäpuhtauksien läsnäolo heikentää rajusti puhtaan titaanin hapettumiskestävyyttä:
Kloori{0}}sisältävät kaasut (esim. Cl₂, HCl-höyry): Kloridi-ionit voivat tunkeutua TiO₂-kalvoon mikrohalkeamien tai raerajojen läpi ja reagoida titaanin kanssa muodostaen haihtuvia titaaniklorideja (esim. TiCl4). Tämä "aktiivinen korroosio" -mekanismi tuhoaa passiivikalvon jatkuvuuden ja estää sen itsestään-paranemisen, mikä johtaa paikalliseen pistesyöpymiseen tai tasaiseen korroosioon jopa kohtalaisissa lämpötiloissa.
Rikkiä{0}} sisältävät kaasut (esim. SO₂, H2S): Yli 300 asteen lämpötiloissa rikkiatomit voivat diffundoitua titaanimatriisiin muodostaen hauraita titaanisulfideja (esim. TiS, TiS₂) raerajoilla. Nämä sulfidit eivät ainoastaan vähennä metallin taipuisuutta, vaan myös häiritsevät TiO₂-kalvon eheyttä tehden siitä herkemmän happihyökkäykselle ja kiihdyttäen hapettumista.
typpipitoiset{0}ilmakehät korkeissa lämpötiloissa: Yli 500 asteen lämpötilassa typpi reagoi titaanin kanssa muodostaen kovan ja hauraan titaaninitridin (TiN) pinnalle ja matriisiin. Vaikka TiN:llä on jonkin verran hapettumiskestävyyttä, sen muodostuminen aiheuttaa sisäistä jännitystä oksidikalvossa, mikä johtaa halkeilemiseen ja luo kanavia hapelle, joka tunkeutuu edelleen alla olevaan metalliin.
Sykliset lämpökuormitusolosuhteet
Toistuvat lämmitys- ja jäähdytysjaksot (esim. teollisuusuuneissa tai lentokoneen moottorin osissa, jotka käyvät läpi usein käynnistys-pysäytystoiminnot) heikentävät vakavasti puhtaan titaanin hapettumiskestävyyttä:
TiO₂-kalvon ja titaanisubstraatin lämpölaajeneminen ja supistuminen aiheuttavat syklistä jännitystä, mikä johtaa mikrohalkeamien muodostumiseen ja delaminaatioon oksidikerroksessa.
Jokainen lämpösykli altistaa tuoreen titaanimetallin hapettavalle ilmakehään ennen kuin kalvo voi parantua täysin itsestään, mikä johtaa kumulatiivisiin hapettumisvaurioihin ja kalvon suojakapasiteetin asteittaiseen heikkenemiseen ajan myötä.
Sulien suolojen tai matalan{0}}sulamispisteen-metallien epäpuhtauksien läsnäolo
Ympäristöissä, jotka sisältävät sulaa suolaa (esim. NaCl, Na2SO₄ korkean lämpötilan -teollisissa prosesseissa) tai matalan -sulamispisteen- metalleja (esim. alumiinia, magnesiumia, lyijyä), puhtaan titaanin hapettumisenkestävyys heikkenee merkittävästi:
Sulat suolat voivat toimia elektrolyytteinä aiheuttaen sähkökemiallista korroosiota, joka hajottaa TiO₂-kalvon, ja samalla helpottaa matalan -sulamispisteen- titaaniyhdisteiden muodostumista, jotka nopeuttavat kalvon hajoamista.
Matalan-sulamispisteen-metallit voivat diffundoitua titaanimatriisiin korkeissa lämpötiloissa muodostaen eutektisia seoksia ja aiheuttaen rakeiden välistä haurastumista, mikä heikentää metallin rakenteellista vakautta ja tekee oksidikalvosta alttiimman halkeilulle hapettumisen aikana.
