De oxidehuid van titaan

[Innomet Ko Buijs]

Titaan is geen edelmetaal wat veelal velen denken; integendeel want het is juist zeer onedel maar het gedraagt zich uitzonderlijk edel en dat komt door een superieure oxidehuid die het onderliggende metaal optimaal beschermt. Daarom valt titaan onder de zogenaamde reactieve metalen. Deze overigens zeer dunne titaanoxidehuid geeft een corrosiebestendigheid die het metaal in zeer vele agressieve milieus uitzonderlijk goed laat presteren.

Het wordt daarom wel eens vergeleken met de corrosieprestaties die goud op dit gebied levert. De titaanoxidehuid hecht zich uitzonderlijk goed op het onderliggende metaal waardoor het ook geen zwakke plaatsen kent. Daarnaast is deze huid bijzonder slijtvast en beschikt het over een krachtig ‘self-healing’ effect waardoor allerlei mechanische beschadigingen automatisch worden gerepareerd door op die plaatsen een nieuwe passivatie te bewerkstelligen. Voorwaarde is dan wel dat er zuurstof aanwezig is. Ook bevordert deze harde oxidehuid een druppelvormige condensatie waardoor het rendement van condensors en warmtewisselaars verder wordt verbeterd.

Deze titaanoxidehuid kan men desgewenst ook verdikken m.b.v. anodiseren of door het bloot te stellen aan atomaire zuurstof. Echter in tegenstelling met wat vaak wordt aangenomen, bewerkt het verdikken van de titaanoxidehuid nauwelijks een verbetering van de slijteigenschappen en corrosiebestendigheid. Wel geeft een geanodiseerd oppervlak een grotere weerstand tegen de diffusie van zuurstof bij verhoogde temperatuur en van waterstof in galvanische processen. Het elektrolyt dat veelal hiervoor gebruikt wordt is 80% fosforzuur en 10% zwavelzuur alsmede 10% water. Na een behandeling van circa 10 minuten heeft men een reeds een behoorlijke verdikking van een goed samenhangende oxidehuid verkregen. Wel kan men met deze methode, gecombineerd met een droog smeermiddel, de drang tot het invreten van schroefdraden aanmerkelijk verlagen. Voor stijgbuizen die o.a. toegepast zijn in offshore projecten in Noorwegen heeft men met succes Ti-6Al4V bouten gebruikt die voorzien zijn van een epoxycoating op basis van molybdeendisulfide.

Dit was aangebracht op een titaanoppervlak dat eerst behandeld was door shotpeening gevolgd door anodiseren. Naast deze technieken zijn er meerdere varianten met hun specifieke eigenschappen zoals alkalische anodiseerprocessen die vaak nog dikkere oxidehuiden opleveren. Dergelijke processen zijn gebruikt voor titaanonderdelen die gebruikt zijn door de NASA voor ruimte-expedities.

De oxidehuid van titaan is transparant en kleurloos waardoor men toch het onderliggende metaal kan zien. Een bijzondere eigenschap is dat een dikkere oxidehuid vanwege een andere brekingindex een andere kleur oplevert. Het invallende licht kan in afhankelijkheid van deze dikte alle kleuren van de regenboog laten ontstaan. Van deze eigenschap maken vooral kunstenaars en de edelsmeden dankbaar gebruik. Voor deze zaken wordt veel gebruik gemaakt van een elektrolyt die bestaat uit een oplossing van 3 - 5% natriumtrifosfaat in gedestilleerd water. De kleuren die op het titaan kunnen ontstaan zijn ook afhankelijk van de samenstelling van het elektrolyt en het voltage. Ook zal de tijdsduur en temperatuur van de behandeling van invloed zijn.

Op onderstaande afbeelding ziet men dergelijk gekleurde titaanmonsters. Niet ingewijden denken dan dat er een gekleurde coating is aangebracht maar dat is dus juist niet het geval. Het is gewoon een verandering in de brekingsindex die deze prachtige kleurschakeringen bewerkt.

Gekleurd titaan m.b.v. anodiseren

Heel soms wordt het anodiseren ook gebruikt om ijzercontaminaties te verwijderen die op het oppervlak vanwege het bewerken kunnen voorkomen. Men kan een dergelijke actie dan zien als de laatste handeling om apparatuur en componenten van titaan optimaal af te leveren. Het zal overigens wel duidelijk zijn dat dit dan een alternatief is voor het beitsen.

Ook zijn er technieken ontwikkeld waarbij men het titaanoppervlak pixel voor pixel in kan kleuren waardoor er prachtige kleurschakeringen en effecten ontstaan zodat zelfs complete afbeeldingen in de oxidehuid van het titaan worden verkregen. Vooral architecten maken hier dankbaar gebruik van teneinde een fraaie interieur of gevelbekleding te verkrijgen. Overigens beschikt het zustermetaal zirkonium over deze zelfde eigenschappen waardoor men ook fraaie sieraden kan maken die ook alle kleuren kunnen hebben die men maar wenst.