チタン合金の耐食性と基本的な電気化学的特性
1.1 チタン合金の耐食性
チタン合金は、その優れた耐食性から「海洋金属」として広く認知されており、船舶に最適な素材です。数多くの海洋工学の実践や科学実験により、チタン合金は純粋な海水中で優れた耐食性を有し、均一な腐食がほとんど発生せず、孔食や隙間腐食に対して優れた耐性を有することが示されています。南シナ海、東シナ海、黄海における中国の16年間にわたる海上試験では、チタン合金材料は完全に浸水した海水、干満帯、飛沫帯の海水においては重大な腐食現象がほとんどないことが示された。南シナ海の水深 800- メートルの深海環境における 3 年間にわたる実際の海洋曝露試験でも、チタン合金が深海環境における均一腐食に対して優れた耐性を備えていることが確認されました。
チタン合金材料が海水環境下で優れた耐食性を発揮できるのは、主に以下の5つの理由によるものです。
(1)
（金属チタンと酸素との相対反応性はアルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼を上回って非常に速く、このためチタン合金の表面は好気的環境では金属状態で存在することが困難です。
(2)
チタン合金は、大気環境と水環境の両方で、緩い水酸化物層が存在することなく、緻密な酸化膜を自発的に形成することができ、その酸化膜は優れた遮蔽特性と遮断特性を備えています。
(3)
金属チタンの表面に形成される酸化物 TiO、TiO2、Ti2O3 は非常に安定しており、塩化物イオンの侵食に対して優れた耐性を持っています。
(4)
チタン表面酸化膜はエピタキシャル成長機構により形成され、体積比1.76の強い界面結合力を持ち、圧縮応力状態で膜欠陥が少ない。
(5)
チタン表面の酸化膜は優れた自己修復特性を備えており、環境媒体による腐食や外力による損傷後もすぐに再不動態化され、安定した状態になります。-これらの優れた特性により、チタン合金は天然の耐食性金属材料であることがわかります。-
したがって、チタン合金で作られた工学機器は腐食の問題を回避できると一般に考えられており、海洋工学設計ではチタン合金構造の腐食と保護の問題はほとんど考慮されません。この一貫した考え方は、エンジニアリング上の重大な安全上の危険を引き起こす可能性があり、特に深海などの極端な環境で長期間使用される機器の場合、そのサービスの安全性の問題は無視できません。
実際、チタン合金材料は優れた耐食性を持っていますが、極端な環境要因、機械的負荷、微生物群集の複合効果下の深海環境では、性能低下や腐食破壊などの環境損傷の問題に依然として直面しています。{0}}たとえば、北京科技大学による研究では、海水の pH が 2 未満の場合、チタン合金不動態皮膜の安定性と耐食性が大幅に低下することがわかりました [10]。硫黄イオンとフッ化物イオンはチタン合金の安定性に大きな影響を与え、特にフッ化物イオン濃度が 0.005mol/L を超えると、チタン合金に深刻な腐食問題が発生します。
アメリカ海軍は、太平洋水深 700 メートルから 2000 メートルまでの実際の海洋曝露試験中に、高強度チタン合金 13V-11Cr-3Al に応力腐食割れを発見しました。溶接部と熱影響部の応力腐食感受性は母材の応力腐食感受性よりも高かったです。ハルビン工程大学、中国科学院金属研究所、東北大学および中国のその他の機関の研究によると、深海の静水圧の増加に伴い、チタン合金の応力腐食感受性が増加します。 20MPa の静水圧下における GR5 チタン合金の応力腐食は、水素誘起亀裂の形で発生します。強度が増加するにつれて、チタン合金の応力腐食感受性も増加します。さらに、海洋機器のエンジニアリング構造では、電気カップル、ギャップ、溶接などの複雑な構造が避けられず、チタン合金に対する局部腐食損傷の複雑さと破壊性がさらに悪化します。
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