(Petro)chemie
De (petro)chemie is reeds jaren een grootverbruiker van titanium en nikkellegeringen. Daar waar koolstofstaal of RVS niet volstaan zijn titanium en nikkellegeringen vaak de ideale metalen om bijvoorbeeld warmtewisselaars, tanks of installaties mee te bouwen. Hoge temperaturen, corrosieve vloeistoffen en gassen zorgen ervoor dat men steeds meer deze corrosiebestendige materialen gebruikt. Gelukkig zijn deze goed verkrijgbaar, zodat we langzaam maar zeker steeds duurzamer gaan werken. In de geothermie wordt nog volop staal en RVS gebruikt wat voor deze toepassing feitelijk totaal niet duurzaam is en bovendien uiteindelijk een ook een veel te dure oplossing is. Titanium wordt al toegepast en heeft bewezen op termijn de meest duurzame en goedkoopste oplossing te zijn.
Titanium in agressieve gasomgevingen
Titanium is goed inzetbaar in zowel oxiderende en reducerende corrosieve omgevingen. Daarnaast vindt dit unieke metaal ook zijn weg in de (petro)chemie aangezien het ook aan allerlei agressieve gassen blootgesteld kan worden.
Beschermen met argon
Het metaal titaan kan ongelegeerd in allerlei agressieve gassen gebruikt worden maar men dient wel op te passen met de temperatuur. In het geval van ongelegeerd titaan mag men dit zelfs niet aan de atmosfeer blootstellen zodra de omgeving heter wordt dan 360 oC. Gebeurt dit wel dat diffunderen allerlei ongewenste gassen vanuit de omgeving in het metaal die het titaan poreus en bros zullen maken. Dat is vooral van belang bij het afkoelen na het leggen van een lasverbinding. Dit kan voorkomen worden door achter de lastoorts een sleepslof te bevestigen die de afkoelende las beschermd met een argonatmosfeer. Deze bescherming geldt uiteraard ook voor de dooslaszijde.
Indien dit niet afdoende heeft plaatsgevonden dan is die gasopname zeer snel een feit en men kan dat niet meer ongedaan maken door bijvoorbeeld een warmtebehandeling. Er ziet dan niets anders op om een laagje titaan mechanisch te verwijderen indien dat geoorloofd is. Anders dient men opnieuw te beginnen. Zodra men titaan gaat legeren neemt deze toegestane temperatuur aanzienlijk toe zonder dat er verbrossing optreedt. Bij hoog gelegeerde kwaliteiten mag deze temperatuur oplopen tot zelfs 620 oC. Een voorbeeld hiervan is de legering Ti-5.9Al-2.7Sn-4Zr-0.45Mo-0.35Si-0.22Y. M.a.w. dan ligt die mogelijke verbrossing niet meer zo kritisch als bij ongelegeerd titaan en dat maakt het lassen wel een stuk gemakkelijker.
Zodra ongelegeerd titaan heter wordt dan 800 oC zal stikstof versneld diffunderen in het oppervlak waardoor titaannitriden ontstaan die het metaal weer extra bros maken. Dat betekent dat men passende maatregelen moet nemen om dat te voorkomen. Dat is de reden dat kritische delen veelal in een couveuse worden gelast waar een argonatmosfeer heerst. In zeer kritische gevallen wordt er zelfs in een hoog vacuüm omgeving gelast.
Met sterke hete alkalische oplossingen moet men oppassen dat het titaanoppervlak geen waterstof gaat opnemen. Dat kan namelijk leiden tot de vorming van titaanhydrides in het metaal. Deze verbindingen kunnen ook weer tot verbrossing van het titaan leiden. Indien men enig palladium in het titaan legeert dan is dat probleem opgelost. In de praktijk blijkt echter dat een toevoeging van slechts 0,04% palladium al voldoende is om de vorming van deze titaanhydrides te voorkomen. In dit geval betekent dit dat de kwaliteit Ti-grade 16 toereikend is want die bezit zo’n laag palladiumgehalte.
Ongelegeerd titaan is uitstekend bestand tegen zwavelhoudende gassen zoals die ontstaan in bijvoorbeeld scrubbers c.q. gaswassers. Dergelijke gassen mogen zowel nat als droog zijn en dat geeft weer een extra dimensie aan het metaal titaan. Een goed voorbeeld is zwaveldioxide (SO2) die zowel nat als droog tussen 20 en 100°C geen aantasting geeft op titaan. Met zwavelwaterstof (H2S) ligt het helaas iets anders want bij een temperatuur van circa 100°C dient men toch engszins rekening te houden met een lichte aantasting van minder dan 0,12 mm per jaar.
Palladium als legeringselement in titanium
Commercieel zuiver titanium is per definitie ongelegeerd en is bestand tegen vele zware corrosieve omstandigheden die zowel oxiderend als reducerend mogen zijn. Dat betreffen de kwaliteiten Ti-grade 1 t/m 4 met oplopende onzuiverheden en een soortelijk gewicht van slechts 4,51 kg/dm3. Dat betekent gelijktijdig dat Ti-grade 4 (UNS R50700) hierdoor de beste mechanische eigenschappen heeft van deze vier typen.
Soms wordt titaan gelegeerd om de mechanische waarden aanzienlijk te verhogen en dat bereikt men veelal met de legeringselementen vanadium en aluminium. Zodra de juiste verhouding van deze elementen wordt aangehouden (zoals Ti-grade 5 - Ti6Al4V - UNS R56400) dan creëert men een alfa-bèta legering die een rekgrens krijgt die wel drie keer zo hoog wordt als die van de commerciële kwaliteiten. Daardoor krijgt men een zeer gunstige gewicht/sterkte verhouding.
In sommige specifieke gevallen is dit metaal gevoelig voor spleetcorrosie en voorbeelden daarvan zijn titaan ondergedompeld in zeewater en in sterk chloridehoudende milieus die beiden warmer zijn dan 80 oC. Dan is het aan te raden om in titaan 0,2% palladium te legeren waardoor bijvoorbeeld de kwaliteit Ti-grade-7 (UNS R52400) ontstaat. Op deze wijze is de gevoeligheid voor spleetcorrosie eigenlijk verleden tijd geworden.
Palladium is echter een zeer kostbaar metaal en die 0,2% zorgt ervoor dat het titaan minstens drie keer zo duur wordt als bijvoorbeeld Ti-grade 2 (UNS R50400). Er zijn soms ontwerpers die t.b.v. de genoemde milieus een leidingsysteem geheel van Ti-grade 7 willen maken om spleetcorrosie te voorkomen maar dat is in feite zinloos als het om het bestrijden van deze vorm van corrosie gaat. Indien er geen capillaire werking is in combinatie met heet zeewater of andere hete chloridehoudende milieus kan gewoon in Ti-grade 2 geconstrueerd worden. Dan bespaart men veel geld want de enige componenten die van Ti-grade 7 gemaakt dienen te worden, zijn dan voornamelijk stubends en laskragen omdat dergelijke componenten met nauwe spleten in aanraking komen.
Omdat palladium zo kostbaar in aanschaf is, heeft men een alternatief ontwikkeld en dat betreft Ti-grade 12 (UNS R53400). In dit type is het dure palladium vervangen door 0,9% nikkel en 0,4% molybdeen. Deze legering heeft in de voornoemde omstandigheden een betere weerstand tegen spleetcorrosie dan de commercieel zuivere kwaliteiten maar duidelijk minder dan Ti-grade 7.
Eigenschappen palladium
Voordat er inhoudelijk verder wordt ingegaan op de werking van palladium in titaan wordt eerst kort stil gestaan bij dit opmerkelijke metaal. Palladium (Pd) is een zacht zilverkleurig metaal dat enigszins aan platina doet denken. Omdat het zo ductiel is, kan het gemakkelijk bewerkt worden. Naast dat het voor sieraden wordt gebruikt als bijvoorbeeld witgoud kan het gebruikt worden als katalysatormateriaal. Palladium reageert niet met zuurstof uit de lucht maar het kan wel zeer veel waterstof in zich opnemen. Het metaal heeft een soortelijk gewicht van 12,02 kg/dm3 en het smeltpunt is 1554°C.
Eigenlijk zijn er slechts een beperkt aantal titaanlegeringen beschikbaar die gelegeerd zijn met palladium en voorbeelden hiervan zijn Ti-grade 7, 11 en 16 (respectievelijk UNS R52250 en R522252). Feitelijk is Ti-grade 7 een opgewaardeerde kwaliteit van Ti-grade 2 en Ti-grade 11 van Ti-grade 1. M.a.w. men kan eigenlijk stellen dat Ti-grade 7 en Ti-grade 11 respectievelijk de kwaliteiten Ti-grade 2 en Ti-grade 1 zijn met een toevoeging van 0,2% palladium. Ti-Grade 11 wordt net als Ti-grade 1 primair toegepast als cladmetaal t.b.v. het explosieve lasproces omdat dit het meest zachte en ductiele titaantype is.
Titanium grade 16 versus grade 7
Titaan grade 16 is feitelijk een ongelegeerd titaantype dat een palladiumgehalte bezit van slechts 0.04-0.08% terwijl Ti-grade 7 een gehalte heeft van 0.12–0.25%. De primaire reden dat dit materiaal enig palladium bevat, is de grotere weerstand dat titaan waterstofgas op zal nemen dat tot verbrossing kan leiden. Palladium heeft de eigenschap waterstof te absorberen en wel 900x zijn eigen volume. M.a.w. de dreiging van het waterstofgas wordt als het ware onschadelijk gemaakt door de geringe aanwezigheid van palladium. Daarom wordt deze legering toegepast in de chemische industrie en wel op die plaatsen waar naast de corrosieve belasting ook watergas wordt ontwikkeld.
Bron: Ko Buijs, INNOMET Consultancy