Titanioè un metallo altamente reattivo ed estremamente suscettibile all'assorbimento di idrogeno. Quando il contenuto di idrogeno all'interno del titanio raggiunge lo 0,008%–0,015%, le fasi idruro aghiformi precipitano all'interno del materiale, un fenomeno che può essere osservato direttamente tramite microscopia metallografica. Man mano che il contenuto di idrogeno continua ad aumentare, la quantità e il volume di questi precipitati aumentano, compromettendo la stabilità della matrice di titanio e innescando varie forme di corrosione e rottura.
La corrosione e il danneggiamento del titanio derivanti dall'assorbimento di idrogeno e dalla successiva formazione di idruri si manifestano generalmente in tre modi:
1. Scheggiatura superficiale dovuta all'infragilimento da idrogeno: se la velocità di diffusione dell'idrogeno è relativamente lenta, gli idruri tendono a concentrarsi sulla superficie. Questi idruri superficiali diventano fragili e si sfaldano, accelerando notevolmente il processo di corrosione sulla superficie del materiale.
2. Cracking indotto da idrogeno indotto da stress (HIC): sotto l'influenza di stress esterno, gli atomi di idrogeno migrano verso regioni di concentrazione di stress, dove precipitano come idruri. Le microfessure all'interno del materiale si espandono e si fondono sotto stress prolungato, portando infine al cedimento attraverso la fessurazione indotta dall'idrogeno.
3. Infragilimento da idrogeno in massa: un assorbimento di idrogeno esteso e di alto livello in tutto il titanio porta a un degrado diffuso della microstruttura della matrice, con conseguente infragilimento da idrogeno catastrofico su larga scala e guasto meccanico totale del materiale.
Caratteristiche chiave e modelli di progressione dell'infragilimento da idrogeno nel titanio
I. Risposta delle proprietà meccaniche all'infragilimento da idrogeno
La rottura indotta dall'idrogeno nel titanio è una forma classica di infragilimento da idrogeno a base di idruro, caratterizzata da una pronunciata sensibilità alla velocità di deformazione: la frattura fragile si verifica solo in condizioni di deformazione ad alta velocità, mentre il materiale non mostra praticamente alcuna suscettibilità all'infragilimento da idrogeno in condizioni di deformazione a bassa velocità. In termini di soglie compositive, un contenuto di idrogeno superiore allo 0,03% nel titanio riduce significativamente la riduzione dell'area del materiale. Al contrario, quando il contenuto di idrogeno è inferiore allo 0,05%, le proprietà meccaniche convenzionali, come resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento e allungamento, rimangono in gran parte inalterate. Ciò indica che i test meccanici standard non sono sufficienti per valutare efficacemente il rischio di infragilimento da idrogeno nei materiali in titanio.
II. Influenza delle impurità di ferro sull'assorbimento di idrogeno e sulla corrosione nel titanio
Durante la lavorazione del titanio, il contatto con strumenti di ferro, con conseguente abrasione superficiale o adesione di particelle di ferro, crea siti per l'inizio della corrosione per vaiolatura. Queste impurità esogene di ferro fungono anche da vie primarie per la penetrazione degli atomi di idrogeno nella matrice di titanio, aumentando così sostanzialmente la probabilità sia di assorbimento di idrogeno che di corrosione. Al contrario, tracce di ferro disciolte all’interno della matrice di titanio, così come le fasi secondarie ricche di ferro presenti nella microstruttura, non esacerbano la corrosione per vaiolatura, né esercitano alcun impatto negativo significativo sull’assorbimento di idrogeno o sul verificarsi di infragilimento da idrogeno.
III. Influenza del trattamento superficiale sulla resistenza all'infragilimento da idrogeno
La suscettibilità dei materiali in titanio all'assorbimento di idrogeno e all'infragilimento da idrogeno è strettamente legata al metodo di pretrattamento superficiale utilizzato. Ciò dipende principalmente dall'integrità e dalla stabilità della pellicola di ossido superficiale, con diversi processi che offrono diversi gradi di protezione:
1. Le superfici sottoposte ad anodizzazione o ossidazione termica presentano una pellicola di ossido intatta e densa, che fornisce la migliore resistenza all'assorbimento di idrogeno e all'infragilimento da idrogeno.
2. Le superfici trattate tramite decapaggio (utilizzando una miscela di acido nitrico e acido fluoridrico) o ricottura offrono un livello di protezione intermedio.
3. Le superfici trattate mediante lucidatura meccanica o sabbiatura presentano il più alto livello di attività chimica; la pellicola di ossido risultante fornisce una scarsa protezione, rendendo queste superfici più suscettibili all'assorbimento di idrogeno e al conseguente infragilimento da idrogeno. Pertanto, una pellicola di ossido superficiale intatta e stabile funge da barriera primaria contro l’ingresso di atomi di idrogeno e previene l’infragilimento da idrogeno nel titanio, mentre un substrato di titanio esposto e chimicamente attivo è altamente soggetto a guasti causati dall’assorbimento di idrogeno.
IV. Vie primarie per l'assorbimento dell'idrogeno nel titanio
L'assorbimento di idrogeno nel titanio avviene tipicamente nei seguenti quattro tipi di condizioni operative:
1. Ambienti contenenti idrogeno puro o gas contenenti idrogeno a temperature superiori a 300 gradi.
2. Ambienti in cui l'idrogeno nascente (atomico) viene generato durante processi quali la corrosione interstiziale o la corrosione nella riduzione degli acidi inorganici.
3. Ambienti in cui si producono atomi di idrogeno a seguito di corrosione galvanica o protezione catodica.
4. Ambienti di acqua di mare in cui i componenti in titanio agiscono come un catodo e sono mantenuti a un potenziale inferiore a -0,70 V. Nelle applicazioni industriali, per evitare guasti dovuti all'assorbimento di idrogeno, il potenziale operativo delle apparecchiature in titanio nell'acqua di mare deve essere rigorosamente controllato e mantenuto al di sopra di -0,70 V.
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