Oxidation kinetics of commercially pure titanium

Abstract

The aim of this work was to perform thermal characterization of commercially pure titanium in dry air to determine its oxidation kinetics and the structure of the oxide. The oxidation kinetics were determined thermogravimetrically under isothermal conditions in the temperature range 300 to 750 ºC for 48 hours and the structure of the oxides was determined by differential thermal analyses and X-ray diffraction in the temperature range room temperature - 1000ºC. The oxidation rate of titanium increased with increase in temperature. It was high in the initial stages of oxidation and then decreased rapidly with time, especially up to 600 ºC. The kinetic laws varied between inverse logarithmic at the lower temperatures (300 and 400 ºC) and parabolic at the higher temperatures (650, 700 and 750 ºC). Evidences from X-ray diffraction and differential thermal analyses data revealed that the passive oxide film formed at room temperature crystallized into anatase at about 276 ºC. The crystallized oxide formed in the range 276 - 457 ºC consisted of anatase, in the range 457 - 718 ºC consisted of anatase and rutile sublayers, and at temperatures beyond 718 ºC consisted of a layer of pure rutile. Scanning electron microscopy observations reveled that the oxidized surfaces were crack-free and the surface roughness increased steadily with oxidation temperature.O objetivo deste trabalho foi de realizar uma caracterização térmica de um titânio puro comercial para estudar sua cinética de oxidação e seus produtos de corrosão formados em atmosfera de ar seco em função da temperatura. A cinética de oxidação foi determinada por termogravimetria em condições isotérmicas entre 300 e 750 ºC por 48 horas e os óxidos formados foram caracterizados por análise térmica diferencial e difração de raios-X entre a temperatura ambiente até 1000ºC. A cinética de oxidação aumenta com a temperatura e é muito rápida nos primeiros instantes, diminuindo rapidamente com o tempo, especialmente até 600 ºC. As leis cinéticas variaram entre a logarítmica inversa nas temperaturas mais baixas (300 e 400 ºC) e a parabólica nas temperaturas mais altas (650, 700 e 750 ºC). As análises por difração de raios-X e análise térmica diferencial mostraram que a cristalização do filme passivo de óxido, formado naturalmente à temperatura ambiente, ocorre aproximadamente a 276 ºC. A estrutura do óxido é composta de anatásia cristalina entre 276 e 457 ºC, anatásia e rutilo entre 457 e 718 ºC, e somente rutilo acima de 718 ºC. Observações por microscopia eletrônica de varredura revelaram que as superfícies oxidadas não apresentam fissuras e que suas rugosidades aumentam uniformemente com a temperatura de oxidação.