“知識”欄目致力于利用原創(chuàng)的焊接科普文章，向大眾普及焊接知識。 希望“知”能讓大家更貼近焊接行業(yè)，洞察前沿科學(xué)，解決應(yīng)用難題。 也希望廣大焊接工作者積極投稿，以通俗易懂的語言和生動易懂的實驗或?qū)嵗獯甬?dāng)前流行的焊接知識。 總結(jié)和天馬行空的想象力。

第 1 期

01

鈦的簡介

鈦是元素周期表中第四周期的第四亞族元素。 在英語中，它是意大利語神化中的赫拉克勒斯。 元素符號用Ti表示，原子序數(shù)為22，是一種銀白色金屬。 鈦是一種非磁性材料凝汽器不銹鋼換熱管酸洗后還需要成膜處理嗎，具有低密度（4.51g/cm3）、高強(qiáng)度（高達(dá)）、高熔點（1668℃）、良好的高溫強(qiáng)度和低溫韌性、良好的耐腐蝕性、工藝性能（成型和焊接）都很好，表面裝飾性強(qiáng)。 因其廣泛應(yīng)用于航天飛行器，被譽(yù)為“太空金屬”。

鈦有兩種同素異形晶體，即鈦和鐵也有同分異構(gòu)體，低于882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α-鈦； 882℃以上時，呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。 利用鈦兩種晶體結(jié)構(gòu)的不同特點，加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪兀饾u改變相變溫度和相含量，以獲得不同結(jié)構(gòu)的鈦合金( )。 因此，鈦合金在室溫下具有三種基體晶格結(jié)構(gòu)：α合金、(α+β)合金和β合金。 中國分別用TA、TC、TB代表。

1789年英國發(fā)現(xiàn)鈦。1908年挪威和美國開始用硫酸法生產(chǎn)二氧化鈦。 1910年，海綿鈦首先在實驗室中用鈉法制備。 1948年，佛山市新澤昌不銹鋼有限公司采用鎂法生產(chǎn)出噸級海綿鈦，標(biāo)志著海綿鈦即純鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。

中國鈦工業(yè)起步于1950年代。 1954年，北京有色金屬研究總院開始研究海綿鈦的制備工藝。 1956年，國家將鈦作為戰(zhàn)略金屬列入發(fā)展規(guī)劃。 1958年，在撫順鋁廠實現(xiàn)了海綿鈦的工業(yè)試驗，開創(chuàng)了中國第一家海綿鈦企業(yè)。 同時，中國第一家鈦加工材料生產(chǎn)試驗車間在沉陽有色金屬加工廠成立。

1960、70年代，在國家統(tǒng)一規(guī)劃下，先后建成了以遵義鈦廠為代表的10多個海綿鈦生產(chǎn)單位，建立了以寶雞有色金屬加工廠為代表的數(shù)個鈦材加工單位。 同時，還形成了以北京有色金屬研究總院為代表的科研力量，成為繼美國、前蘇聯(lián)、日本之后第四個擁有完整鈦工業(yè)體系的國家。

鈦冶金最大的缺點是難以精煉。 由于鈦在高溫下具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，它可以與氧、碳、氮等多種元素結(jié)合。 因此，在冶煉或鑄造時，必須防止這些元素“侵蝕”鈦。

鈦合金可分為耐蝕合金（純鈦、鈦鈀、鈦鉬鎳）、耐熱合金、高強(qiáng)合金、低溫合金和特殊功能合金（鈦鐵儲氫材料）和鈦鎳記憶材料）根據(jù)其用途。 合金）等

鈦及鈦合金廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、石油、海洋、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。 利用鈦的耐蝕性，鈦被廣泛應(yīng)用于化工設(shè)備，尤其是氯堿工業(yè)。 鈦重量輕，強(qiáng)度高。 鈦用于制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件和火箭、導(dǎo)彈及高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。 鈦對空氣的強(qiáng)烈吸附可以去除空氣并產(chǎn)生真空。 使用由鈦制成的真空泵，可以將空氣抽到萬億分之一。 利用鈦與人體組織的生物相容性，制作人體關(guān)節(jié)假體。 鈦在日常生活中的應(yīng)用也很廣泛，如高爾夫球頭、自行車架、網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等。

02

壓力容器用鈦

鈦具有優(yōu)良的耐蝕性、機(jī)械性能和工藝性能（成型和焊接），廣泛用于高腐蝕性化工生產(chǎn)工藝設(shè)備，替代不銹鋼和鎳基合金作為耐腐蝕材料。 鈦已成為化工設(shè)備中主要的防腐材料之一，確立了極高的耐腐蝕地位。 目前，鈦容器的應(yīng)用已從最初的純堿、燒堿工業(yè)擴(kuò)展到氯酸鹽、氯化銨、尿素、有機(jī)合成、染料、無機(jī)鹽、農(nóng)藥、合成纖維/PTA、化肥和精細(xì)化工等領(lǐng)域。 中國近一半（46%）的鈦用于化工容器，主要是工業(yè)純鈦TA2。

鈦容器用鈦及鈦合金主要有：

(1)工業(yè)純鈦TA1、TA2、TA3，區(qū)別在于氫、氧、氮的雜質(zhì)含量不同，雜質(zhì)強(qiáng)化了工業(yè)純鈦，但塑性明顯降低；

(2)鈦鈀合金TA9(Ti-0.2Pd)，含鈀0.12%~0.25%；

(3)鈦鉬鎳合金TA10(Ti-0.3Mo-0.8Ni)，含鉬0.20%～0.40%，鎳0.60%～0.90%。

鈦容器的選擇：

(1)強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)受壓元件的強(qiáng)度要求，選用不同牌號的工業(yè)純鈦。 但需要注意的是，隨著強(qiáng)度的增加，鈦的塑性下降。 殼體、換熱管等受壓元件通常選用中等強(qiáng)度工業(yè)純鈦TA2。 通常選用TA1或TA2作為鈦鋼復(fù)合板容器的鍍鈦層。

(2) 成形 對于要求嚴(yán)苛的零件（如板式換熱器中的板片）的成形，必須使用盡可能軟的工業(yè)純鈦 TA1。 容器筒體采用中強(qiáng)度工業(yè)純鈦TA2。 波紋管也宜選用符合GB/T 14845《板式換熱器用鈦板》的TA1。 對于鈦及鈦合金板材，要求TA1的斷后伸長率不小于30%，TA2的斷后伸長率不小于25%。

(3)耐蝕性Ti-0.2Pd和Ti-0.3Mo-0.8Ni鈦合金比工業(yè)純鈦具有更高的耐蝕性，特別是耐縫隙腐蝕，但Ti-0.2Pd合金價格較貴，僅用作法蘭密封面有縫隙腐蝕。

(4)焊接性各級工業(yè)純鈦及鈦合金均具有良好的焊接性，但Ti-0.3Mo-0.8Ni合金的焊接性比工業(yè)純鈦稍差。

(5)價格 所有鈦合金的價格均高于工業(yè)純鈦，尤其是Ti-0.2Pd合金，由于貴重元素鈀，價格比工業(yè)純鈦高10倍左右； Ti-0.3Mo-0.8Ni合金 鈦的價格比工業(yè)純鈦貴百分之幾十，但強(qiáng)度較高，而且隨著溫度的升高強(qiáng)度下降較少。

鈦容器通常以三種結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)：全鈦容器、襯鈦容器和鈦鋼復(fù)合板容器。 全鈦容器筒體厚度不超過12mm，襯鈦容器已更換為鈦鋼復(fù)合板容器，鈦鋼復(fù)合板容器的鍍鈦層厚度不應(yīng)小于3mm。

03

鈦的耐腐蝕性

鈦的耐蝕機(jī)理：鈦是一種化學(xué)活性很強(qiáng)的金屬，但鈦對許多腐蝕介質(zhì)都表現(xiàn)出特別優(yōu)異的耐蝕性。 原因是鈦和氧有很大的親和力。 當(dāng)鈦暴露在大氣或任何含氧介質(zhì)中時，表面立即形成一層堅固致密的鈍化氧化膜（氧化膜）。 這部電影很穩(wěn)定。 機(jī)械損壞，立即重整（只要存在一定量的氧氣或水）。 氧化膜的厚度約為1.2nm至1.6nm，并隨著時間的推移而變厚。 鈦的氧化膜只有在低溫下形成時才有保護(hù)作用。 高溫下形成的氧化膜會疏松、多孔、分解。 氧原子會進(jìn)入以氧化膜為轉(zhuǎn)化層的金屬晶格，進(jìn)一步加劇氧化，使氧化膜增厚。 ，此時的氧化膜沒有保護(hù)作用。

鈦雖然是一種耐腐蝕金屬，但并不是所有的化學(xué)腐蝕介質(zhì)都適用。 即使在同一種介質(zhì)中，鈦也和其他耐腐蝕金屬一樣，耐腐蝕程度隨介質(zhì)溫度和濃度的不同而不同。

1鈦耐腐蝕環(huán)境

耐中性、氧化性、弱還原性介質(zhì)腐蝕，如淡水、海水、濕氯、硝酸、鉻酸、醋酸、氯化鐵、氯化銅、次氯酸鈉、氯漂白劑、乳酸、鄰苯二甲酸、尿素、濃度小于3%的鹽酸、濃度小于4%的硫酸。

鈦在氯氣水溶液和含氯溶液中的耐蝕性是鈦大量應(yīng)用的基礎(chǔ)。 鈦被認(rèn)為是最好的耐高溫濕氯氣材料，也是唯一耐高溫濕氯氣的工業(yè)金屬。 一般認(rèn)為腐蝕速率不超過0.13mm/a即為耐腐蝕，而鈦在濕氯氣或氯水中的腐蝕速率遠(yuǎn)低于此值。

鈦在河水和海水中都具有優(yōu)良的耐腐蝕性，尤其是在海水中凝汽器不銹鋼換熱管酸洗后還需要成膜處理嗎，鈦的耐腐蝕性是不銹鋼的100倍，鈦是天然水中最耐腐蝕的金屬材料。 鈦在高溫水和水蒸氣（如>300°C）中可能會變色或失光，甚至?xí)黾右稽c重量，但不會引起腐蝕。 鈦在溫度高達(dá) 260°C 的海水中非常耐腐蝕。 鈦管冷凝器在受污染的海水中使用了20多年，只發(fā)現(xiàn)輕微變色，沒有腐蝕跡象。

2 鈦不耐腐蝕環(huán)境

不耐強(qiáng)還原性和無水強(qiáng)氧化性介質(zhì)，如發(fā)煙硝酸、氫氟酸、濃度大于3%的鹽酸、濃度大于4%的硫酸、非氣化沸騰甲酸、沸騰濃鋁氯化物、磷酸、草酸、干氯、氟化物溶液和液溴等。

鈦只有在5%～10%的堿性溶液中才具有耐蝕性。 如果濃度增加，必須在常溫下，如50%的堿溶液，使用溫度必須低于38℃。 鈦在高濃度、高溫的堿性環(huán)境中不耐腐蝕。

在常溫下，工業(yè)純鈦能耐7%以下的鹽酸溶液，溫度升高時耐蝕性明顯下降。 鈦鎳鉬合金能耐9%的鹽酸溶液，鈦鈀合金可達(dá)27%。 高價的重金屬離子，如鐵、鎳、銅、鉬等，能顯著提高鈦的耐蝕性，這也是為什么鈦在濕法冶金行業(yè)的鹽酸系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用的原因。

3 鈦的自燃或爆炸性氣氛

如果鈦在完全沒有水的情況下暴露在高度氧化的環(huán)境中，它會迅速氧化并產(chǎn)生劇烈的、通常是自燃的反應(yīng)。 因此，鈦不能用于： 1）濃度>98%或游離二氧化氮>6%的發(fā)煙硝酸，以免自燃爆炸； 2）氯氣中含水量（0.1%~0.3%）的干氯氣（如國產(chǎn)鋼瓶中的氯氣，由于鈦與干氯氣劇烈反應(yīng)生成四氯化鈦，放出大量熱量并有火災(zāi)危險）； 高速旋轉(zhuǎn)時，干燥氯氣的含水量應(yīng)提高到1.5%； 3）液氧和一些氧分壓高的水溶液，由于鈦在液氧中對沖擊敏感，如果有新鮮的鈦表面，在常溫下0.35MPa的壓力下會自燃。

對于含氫的腐蝕性介質(zhì)，除考慮介質(zhì)的腐蝕外，還應(yīng)充分注意氫對鈦的危害。 需要鈦容器以避免鐵污染。 避免氫化（氫脆）非常重要。 即使在低濃度的鹽酸中，鈦與碳鋼接觸時，由于形成原電池，也會在鈦表面析出氫，破壞鈦的氧化膜，不僅造成鈦的氫脆，還會加速鈦的腐蝕。 由于活動度高。 因此，鈦非常忌諱與碳鋼材料接觸。

04

鈦化工容器的使用溫度

JB/T 4745-2002《鈦焊接容器》第4.3.1條“允許溫度”規(guī)定：

1）鈦及鈦合金的允許溫度下限為-269℃。 當(dāng)溫度高于-60℃時，對鈦材料的力學(xué)性能試驗不作附加要求； 當(dāng)溫度≤-60℃時，應(yīng)試驗設(shè)計溫度下的伸長率，TA0、TA1、TA2、TA9的伸長率不同應(yīng)小于18%，TA3、TA10不應(yīng)小于15%。

2）變形鈦及鈦合金的允許溫度上限為300℃。

3）鈦復(fù)合板的允許溫度上限為350℃。 鈦襯結(jié)構(gòu)的允許溫度極限為250°C。

4）設(shè)計溫度-269℃至20℃時的最大許用拉應(yīng)力值始終為20℃時的值，即隨著溫度下降，抗拉強(qiáng)度幾乎沒有影響。

1 單層鈦容器應(yīng)用溫度上限為300℃

以最常用的耐腐蝕板材TA2為例，常溫抗拉強(qiáng)度不低于，20℃時許用應(yīng)力為，300℃時許用應(yīng)力降至60MPa攝氏度。 TA2在150℃時的抗拉強(qiáng)度約為室溫值的57%，300℃時約為室溫值的36%。 鈦的抗拉強(qiáng)度在高溫下明顯下降。 在相同的壓力下，板材的厚度需要在高溫下增加。 但在300℃時，TA2的抗拉強(qiáng)度下限仍可達(dá)到~水平，可應(yīng)用具有該強(qiáng)度的容器。

300℃以上，表面無氧化膜的銀白色鈦表面開始形成淺黃色氧化膜，400℃以上形成金黃色氧化膜。 在此溫度下形成的氧化膜質(zhì)地致密，附著牢固，不易脫落，對鈦表面有保護(hù)作用。 因此，至少在350℃以下，鈦表面在空氣中和腐蝕介質(zhì)中的氧化不會對鈦的應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。 在300℃以上，表面無氧化膜的鈦能明顯吸收空氣或其他介質(zhì)中的氫氣。 當(dāng)鈦表面有氧化膜時，明顯吸氫的溫度稍高，只有在450℃以上氫才能進(jìn)入鈦。 鈦在大氣中貯存或氧化處理，在化學(xué)介質(zhì)中化學(xué)鈍化或陽極鈍化處理，在氧化性介質(zhì)中使用，可在表面形成良好的氧化膜。 因此，一般認(rèn)為400℃以下的氫氣不會對鈦容器產(chǎn)生不良影響。 鈦在空氣中300℃會氧化成淡黃色，對性能無明顯影響。 當(dāng)溫度達(dá)到500℃時，表面呈藍(lán)色，塑性略有下降，故不能在承受較大載荷時使用。 因此，將單層鈦容器的使用溫度限制在300℃是有科學(xué)依據(jù)的。

2 鈦鋼復(fù)合板容器應(yīng)用溫度上限為350℃

由于復(fù)合板的復(fù)合鈦與基體鋼的結(jié)合強(qiáng)度，鈦層與鋼層共同承受壓力變形，鋼的使用溫度上限大多大于350℃，例如Q345R的允許溫度下限為475℃。

3 襯鈦容器應(yīng)用溫度上限為250℃

對于襯鈦容器，由于鈦的線膨脹系數(shù)約為鐵素體鋼的2/3，奧氏體不銹鋼的1/2，襯鈦層在加熱過程中會受到較大的熱量，容器的冷卻過程。 壓力。 當(dāng)溫度升高時，襯鈦層受到拉應(yīng)力，有開裂的可能； 當(dāng)溫度降低時，襯鈦層受到壓應(yīng)力，有鼓起的可能。 溫差越大，鈦襯里的應(yīng)力就越大。 因此，襯鈦容器的設(shè)計溫度不宜過高。

4 鈦及鈦合金的允許溫度下限為-269℃

鈦（α鈦TA2密排六方晶體結(jié)構(gòu)）不像具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的黑色金屬材料那樣在低溫下具有脆性轉(zhuǎn)變溫度。 鈦的沖擊韌性在低溫下不會喪失，其靜態(tài)抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而增加，塑性不會受到明顯影響。 因此，ASME沒有規(guī)定鈦等有色金屬的低溫沖擊試驗。 日本JIS B 8270規(guī)定容器用鈦可在-268℃以下使用。 -87規(guī)定的鈦使用溫度下限：TA1為-268℃，TA2為-196℃，TA3為-60℃，Ti-0.15Pd和Ti-0.3Mo-08Ni為-60℃。

05

游離鐵顆粒對鈦化工容器的危害

在鈦制容器的整個生產(chǎn)過程中防止鐵污染（鐵，包括鐵顆粒、鐵粉）。 簡而言之，鐵污染對鈦器皿的危害是點蝕和氫脆（開裂）。

鐵是鈦中的有害雜質(zhì)元素，GB/T 3620.1《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》中對鐵的含量有限制（如TA2中鐵含量不超過0.30%），鐵含量鈦焊絲中的限制比母材嚴(yán)格得多（如NB/T 47018.7《鈦及鈦合金焊絲和填充焊絲》中ER鐵含量不超過0.12%）。 如果鈦容器制造過程中遇到的鐵污染滲入鈦母材或焊縫，也會造成含鐵量偏高。

鐵顆粒產(chǎn)生以下兩種危害：

(1)游離鐵粒子附著在鈦材表面，在電解液中可建立原電池，產(chǎn)生電化腐蝕(電化學(xué)腐蝕)，在鈦材表面析出氫H2，破壞氧化鈦膜而使耐腐蝕性能下降。 （同一電解液中的異種金屬相互接觸，由于電位差，原電池的建立會引起接觸部位的局部腐蝕，其中電位低的金屬溶解快，而電位越高的金屬溶解越慢。腐蝕稱為電偶腐蝕）。

(2)鐵粒子為氫擴(kuò)散到鈦中提供通道，使鈦在常溫下能吸收氫，特別是當(dāng)鐵含量大于0.05%時，氫的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，進(jìn)入鈦晶格形成氫脆。 氫脆是氫和鈦結(jié)合形成脆性化合物 TiH2 的結(jié)果。 TiH2呈片狀或針狀，硬度高，韌性差，即硬而脆，受力易開裂。 另外，TiH2形成后體積膨脹引起更大的組織應(yīng)力，氫原子擴(kuò)散聚集到該區(qū)域的高應(yīng)力部位形成H2氫氣，內(nèi)應(yīng)力突然增大，進(jìn)而與外應(yīng)力結(jié)合拉力或沖擊力最終形成裂紋。 因此，鈦一旦被鐵顆粒污染，就會變脆，這是鈦產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。

因此，對于含氫介質(zhì)，除考慮腐蝕外，還應(yīng)充分注意氫對鈦的危害。 需要鈦容器以避免鐵污染。 避免氫化（即氫脆）非常重要。 即使在低濃度的還原酸（含有氫離子的電解液，如HCl）中，如果鈦與碳鋼接觸，表面殘留鐵顆粒，不僅會引起鈦的氫脆，還會加速鈦的腐蝕。 氫氣具有很高的反應(yīng)性。 因此，鈦非常忌諱與碳鋼材料接觸。

氫原子很小，可以在金屬晶格中自由擴(kuò)散。 當(dāng)鈦被加熱到300℃時，它開始吸收氫。 空氣中的含鐵塵埃、使用過的鐵質(zhì)工具等附著在鈦表面但未滲入鈦內(nèi)部的鐵顆粒附著在鈦坡口或焊絲表面。 當(dāng)鈦表面的鐵顆粒受熱時，如熱處理或焊接，在焊縫和熱影響區(qū)或被鐵污染的鈦表面，鐵的通過會加速氫滲入鈦，與鈦反應(yīng)生成氫化鈦TiH2，使鈦性能變脆，耐腐蝕性能下降。

防止鐵污染的措施：

(1)鈦容器的生產(chǎn)應(yīng)在“潔凈車間”進(jìn)行，盡量減少含鐵粉塵； 在管理上，要求“黑白分明”。 嚴(yán)禁將鈦金屬和黑色金屬堆放在一起，盡量不要接觸鐵制工具。 在制造過程中，在鈦表面添加隔離保護(hù)層，例如牛皮紙或塑料薄膜。 嚴(yán)禁踩踏鈦材料表面。 加熱前應(yīng)清潔任何鈦表面。

(2)對成品鈦容器表面進(jìn)行酸洗或陽極氧化處理。 酸洗和陽極氧化都可以去除鐵顆粒，在鈦表面形成完整的氧化膜。