钛波纹管的研制

　　1　前言

　　波纹管是应用广泛的弹性元件,所用材料主要有金属和非金属两大类。常用金属材料包括奥氏体不锈钢、耐蚀合金和高温(镍)合金等。在化工设备中,波纹管等连接件不仅要承受一定的载荷,而且要受到许多介质的强烈腐蚀,工作条件十分苛刻。用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料,这对延长设备使用寿命和安全性等方面都有十分重要的意义。

　　钛材料的性能如工作温度、循环应力、耐腐蚀性和工艺性均适合制造波纹管,但是钛的冷变形抗力大、回弹严重、塑性变形能力差、焊接性能差,用其制造波纹管的难度大,废品率高,成本高,到目前为止,只有少量的文献报道钛波纹管的生产和使用。

　　2　钛的分类及特点

　　钛主要分为工业纯钛和钛合金,国产工业纯钛有TA0、TA1、TA2、TA3等,国外的牌号主要有美国的SB 265 Gr·1、Gr·2、Gr·3等,其区别在于氢氧氮杂质的含量不同,这些杂质使工业纯钛强化,但塑性显著降低,TA2的化学成分、力学性能和工艺性能见表1。

　　钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素(碳、氢、氮、氧等)和化合物发生反应,使得材料变脆,故钛多用于350℃以下的工作条件。钛的密度为4·51 g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍,其强度位于金属之首。钛的抗拉强度与其屈服强度接近,钛的这一性能说明了其屈强比(屈服强度/抗拉强度)高,表示了钛在成形时塑性变形差,波纹管成型难度很大。钛的弹性模量很低,在常温时为106·4 GPa,为钢的57%,钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。因钛具有良好的抗腐蚀性能,所以多用于化学工业、石油工业等。

　　3　钛的焊接

　　3·1　钛的焊接性能

　　钛的焊接性能具有许多显著特点,这是由于钛的物理化学性能决定的。在常温下,钛是比较稳定的,但在焊接过程中,液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用。随着温度的升高,钛吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升,大约在250℃左右开始吸收氢,从400℃开始吸收氧,从600℃开始吸收氮;吸氢会造成焊接接头变脆,再加上氢原子的扩散及聚集形成气孔,易导致冷裂纹的产生,影响到接头的疲劳强度。氧和氮会大大提高焊接接头的抗拉强度和硬度,降低焊缝的塑性。