1. Korrosionsbeständigkeit einer Titanlegierung der Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V)
Passive Filmbildung: Titan hat eine starke Affinität zu Sauerstoff und selbst unter Umgebungsbedingungen bildet Ti-6Al-4V einedünner, dichter und haftender Oxidfilm(überwiegend TiO₂, mit Spuren von Al₂O₃ aus dem Legierungselement Aluminium) auf seiner Oberfläche. Dieser passive Film ist selbst-heilend: Wenn er durch mechanische Abnutzung oder lokalen chemischen Angriff beschädigt wird, bildet er sich in Gegenwart von Sauerstoff (oder Feuchtigkeit) schnell neu, um -die Schutzbarriere wiederherzustellen und ein weiteres Eindringen korrosiver Medien in die darunter liegende Metallmatrix zu verhindern.
Beständigkeit gegen gleichmäßige und lokale Korrosion:
In den meisten neutralen und schwach korrosiven Umgebungen (z. B. Süßwasser, atmosphärische Luft, verdünnte Salzlösungen) zeigt Ti-6Al-4V eine vernachlässigbare gleichmäßige Korrosion, wobei die Korrosionsraten oft unter 0,001 mm/Jahr liegen – weitaus niedriger als bei herkömmlichen Strukturmetallen wie Kohlenstoffstahl und sogar vielen rostfreien Stählen (z. B. 304 SS).
Es verfügt außerdem über eine hohe Beständigkeit gegen lokale Korrosion wie Lochfraß, Spaltkorrosion und interkristalline Korrosion. Die zweiphasige (+) Mikrostruktur der Legierung und die stabilisierende Wirkung von Al und V minimieren mikrostrukturelle Inhomogenitäten, die typischerweise lokale Korrosion auslösen. Beispielsweise widersteht Ti-6Al-4V in chloridhaltigen Umgebungen (eine häufige Ursache für Lochfraß in rostfreien Stählen) der Lochfraßbildung bis zu Chloridkonzentrationen, die weit über denen liegen, die rostfreien Stahl schädigen würden, vorausgesetzt, der Passivfilm bleibt intakt.
Einschränkungen in extrem reduzierenden Umgebungen: Die Korrosionsbeständigkeit von Ti-6Al-4V nimmt abstark reduzierende Medien(z. B. konzentrierte Salzsäure, Schwefelsäure oder Flusssäure ohne Oxidationshemmer) und in Umgebungen mit hohen Fluoridionenkonzentrationen. In diesen Szenarien kann sich der passive Film nicht stabilisieren oder selbst-reparieren, was zu einer schnellen, gleichmäßigen Korrosion oder Wasserstoffversprödung (HE) führt, bei der Wasserstoffatome in die Legierung diffundieren und unter Zugspannung spröde Risse verursachen.
2. Langfristige Gebrauchstauglichkeit von Titanlegierungen der Güteklasse 5 in rauen Umgebungen (Meerwasser, säurehaltige Medien, hohe Temperaturen und hoher Druck)
(1) Meerwasserumgebungen
Beständigkeit gegen Meereskorrosion: Der passive Film auf Ti-6Al-4V ist in Meerwasser äußerst stabil, selbst bei hohem Salzgehalt, Gezeiten- oder Spritzzonenbedingungen (wo Sauerstoff- und Chloridgehalt schwanken). Es widersteht Korrosion durch Chloridionen des Meerwassers sowie Biofouling (obwohl Biofouling eine regelmäßige Reinigung erfordern kann, beeinträchtigt es nicht die strukturelle Integrität der Legierung).
Leistung unter dynamischen Bedingungen: In fließendem Meerwasser (z. B. in Schiffspropellerwellen oder Offshore-Steigrohren) oder in Umgebungen mit Kavitation/Erosion kombiniert Ti-6Al-4V Korrosionsbeständigkeit mit hoher mechanischer Festigkeit und Zähigkeit und vermeidet so die bei Kohlenstoffstahl oder Kupferlegierungen üblichen Erosions-Korrosions-Fehler. Es hat sich gezeigt, dass eine langfristige Einwirkung von natürlichem Meerwasser (10+ Jahre) keine messbare Korrosion oder Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Legierung verursacht, vorausgesetzt, dass keine galvanische Kopplung mit edleren Metallen (z. B. Platin, Graphit) erfolgt (die eine kathodische Wasserstoffentwicklung und HE auslösen könnte).
(2) Saure und alkalische Medien
Alkalische Medien: Die Legierung eignet sich gut-für den Langzeiteinsatz-in den meisten alkalischen Umgebungen, einschließlich verdünntem bis konzentriertem Natriumhydroxid (NaOH), Kaliumhydroxid (KOH) und Kalklösungen, selbst bei erhöhten Temperaturen (bis zu 150–200 Grad für verdünnte Alkalien). Der Passivfilm ist unter alkalischen Bedingungen stabil und die Korrosionsraten bleiben (typischerweise) extrem niedrig<0.01 mm/year). It is commonly used in chemical processing equipment for caustic soda production and wastewater treatment systems.
Saure Medien:
Verdünnte oder oxidierende Säuren: Ti-6Al-4V kann langfristig in verdünnter Salpetersäure (HNO₃,<20% concentration), chromic acid (H₂CrO₄), or mixed acids with oxidizing agents (e.g., nitric-sulfuric acid blends). The oxidizing environment maintains the integrity of the passive film, preventing corrosion. For example, it is used in nuclear industry equipment for nitric acid-based fuel reprocessing.
Nicht-Oxidierende oder konzentrierte Säuren: It cannot be used long-term in concentrated non-oxidizing acids (e.g., >10% HCl, >5 % H₂SO₄ bei Raumtemperatur oder jede beliebige HF-Konzentration). In diesen Medien löst sich der Passivfilm auf, was zu schneller Korrosion und Wasserstoffaufnahme führt, was zu Versprödung und vorzeitigem Ausfall führt. Sogar verdünnte nicht-oxidierende Säuren zersetzen die Legierung mit der Zeit, wenn keine Korrosionsinhibitoren (z. B. oxidierende Salze wie Eisenchlorid oder Kupfersulfat) hinzugefügt werden.
(3) Umgebungen mit hoher-Temperatur und hohem-Druck (HTHP).
Luft mit hoher-Temperatur und inerten Atmosphären: In oxidierenden oder inerten Atmosphären (z. B. Argon, Stickstoff) kann Ti-6Al-4V langfristig bei Temperaturen von bis zu betrieben werden300–350 Grad. At these temperatures, it retains its mechanical strength (tensile strength >860 MPa) und Korrosionsbeständigkeit, wobei der passive Al₂O₃-TiO₂-Verbundfilm eine Hochtemperaturoxidation verhindert. Oberhalb von 400 Grad wird der Oxidfilm jedoch porös und die Legierung beginnt, Sauerstoff und Stickstoff zu absorbieren, was zu einer Oberflächenversprödung (Bildung einer harten, spröden „Alpha-Hülle“) und einem allmählichen Rückgang der Duktilität und Zähigkeit führt, was einen langfristigen Einsatz unpraktisch macht.
Korrosive/unter Druck stehende Medien mit hoher-Temperatur:
In HTHP-Wasser oder -Dampf (z. B. Kraftwerkskessel, geothermische Systeme) widersteht Ti-6Al-4V Korrosion und Spannungsrisskorrosion (SCC) bis zu 300 Grad und Drücken von 15–20 MPa, da der Passivfilm in sauerstoffhaltigem Hochdruckwasser stabil bleibt. Aufgrund seiner Fähigkeit, sowohl hohem Druck als auch chloridhaltigen Solen standzuhalten, wird es häufig in Bauteilen für geothermische Bohrlöcher verwendet.
In sauren oder alkalischen HTHP-Medien sinkt die Temperaturschwelle für eine sichere Langzeitanwendung erheblich. Beispielsweise können in verdünnten Laugenlösungen Temperaturen über 200 Grad eine beschleunigte Korrosion verursachen, während in oxidierenden Säuren Temperaturen über 100 Grad den Passivfilm beeinträchtigen und das HE-Risiko erhöhen können.
In wasserstoffreichen HTHP-Umgebungen (z. B. Komplettierungen von Öl- und Gasbohrlöchern mit hohem H₂S-Gehalt) ist Ti-6Al-4V selbst bei moderaten Temperaturen (150–200 Grad) anfällig für Wasserstoffversprödung und erfordert für einen langfristigen Betrieb eine sorgfältige Materialauswahl oder Wasserstoffminderungsstrategien (z. B. Beschichtung oder Legierungsmodifikation).
