發(fā)布日期：2022-11-9 11:18:17
引言
鈦和鈦合金材料因其應(yīng)用價(jià)值非常高，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)尖端科技制造領(lǐng)域，比如：艦船、航空航天、太空飛行器等。同時(shí)，在化工生產(chǎn)、石油、電力等決定著國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的產(chǎn)業(yè)中，鈦和鈦合金也發(fā)揮著非常重要的作用。但由于傳統(tǒng)觀念的限制，人們對(duì)合金的認(rèn)識(shí)普遍還停留在鋁合金、合金鋼等材料，這些材料制作成本上相對(duì)低一些，應(yīng)用范圍也更加廣范。未來(lái)隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，鈦和鈦合金材料的優(yōu)勢(shì)將會(huì)凸顯，應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大。
相較于鋁合金、合金鋼材料，鈦及鈦合金材料的成本高出許多，致使其推廣應(yīng)用范圍和速度都不理想。除了生產(chǎn)成本高外，影響鈦材料推廣的另一個(gè)原因是因?yàn)殁伡扳伜辖甬a(chǎn)量小，無(wú)法滿足現(xiàn)階段市場(chǎng)實(shí)際需求。 文章通過(guò)將鈦及鈦合金的各項(xiàng)指標(biāo)與其他合金材料對(duì)比，闡明了鈦棒、鈦板等鈦材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和綜合的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1、鈦及鈦合金在經(jīng)濟(jì)效益方面的分析
1.1 鈦材料產(chǎn)量持續(xù)提升
根據(jù)有關(guān)部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，鈦合金在近 10 年內(nèi)價(jià)格持續(xù)在降低，而其產(chǎn)量和應(yīng)用范圍卻比其他合金增長(zhǎng)和擴(kuò)展得要快，而且產(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，為鈦材料擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用范圍奠定了重要基礎(chǔ)。
1.2 鈦合金材料應(yīng)用優(yōu)勢(shì)凸顯
隨著我國(guó)鈦材料加工技術(shù)的高速發(fā)展，其產(chǎn)量和質(zhì)量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這也直接影響了鈦材料的整體價(jià)格，使得鈦材料的價(jià)格處在合理的位置。就以艦船用鈦合金材料為例，在建設(shè)艦船管道系統(tǒng)方面，鈦合金材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)要明顯高于傳統(tǒng)材料。國(guó)外有人對(duì)于艦船上管道系統(tǒng)所用合金材料進(jìn)行研究并給出了綜合評(píng)價(jià)，其中就包括鈦合金以及傳統(tǒng)合金材料。通過(guò)研究對(duì)比顯示，傳統(tǒng)的合金材料在使用過(guò)程中的最高使用壽命基本都維持在 10 年左右，并且要在使用期間進(jìn)行高頻次的維護(hù)，甚至出現(xiàn)沒有達(dá)到規(guī)定年限就需要換新的情況，這主要由于長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)使材料接口處出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。但鈦合金材料在使用壽命方面可以做到和艦船的使用壽命同長(zhǎng)，也就是說(shuō)在建造艦船時(shí)，使用的鈦合金材料部件，能夠使用到艦船退休或報(bào)廢，而且使用期間也無(wú)需進(jìn)行高頻次的維修，只需要定期進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢查維護(hù) [1] ，綜合成本算下來(lái)不比普通合金貴。
2、降低鈦及鈦合金材料制造成本的對(duì)策
現(xiàn)階段，我國(guó)海綿鈦的產(chǎn)品價(jià)格在價(jià)格在 6 萬(wàn)元/噸左右，這個(gè)價(jià)格是鈦材料使用至今的最低價(jià)，甚至低過(guò)了海綿鈦生產(chǎn)的成本價(jià)。鈦材料的價(jià)格基本由幾個(gè)方面組成，其中包括鈦合金的原材料、真空熔煉以及加工成本。鈦材的生產(chǎn)成本大概在 10 萬(wàn)元左右，熔煉和原料的加工構(gòu)成比例是 1∶1 左右，而對(duì)于售價(jià)每噸 15 萬(wàn)～20 萬(wàn)元售價(jià)的鈦合金來(lái)說(shuō)，比例大概在1∶1.5 以上。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以分析得出，降低鈦材料的制造成本可以從兩方面進(jìn)行，首先是降低生產(chǎn)原材料的價(jià)格，其次可以降低熔煉工藝和材料加工的成本。
由于鈦合金材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，研制出高性能、低成本的鈦合金材料成為當(dāng)前行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)降低鈦材料的成本，主要可以從原材料價(jià)格、合金熔煉的制作成本、加工技術(shù)投入以及工藝技術(shù)方面入手，來(lái)降低鈦材料制作的整體成本。通過(guò)創(chuàng)新鈦材料在原材料制備、鑄錠制備等技術(shù)，就可能降低鈦材料制作成本的 60%，而且不會(huì)因?yàn)槌杀镜慕档投绊戔伈牧系氖褂眯阅艿�，鈦成本每噸降�? 000元，加工成本就會(huì)降低 10%。
2.1 低成本制作海綿鈦技術(shù)
海綿鈦是生產(chǎn)鈦錠和鈦材料的原料，其生產(chǎn)過(guò)程是把鈦鐵礦變成四氯化鈦，再放到密封的不銹鋼罐中，充以氬氣，使它們與金屬鎂反應(yīng)，就得到多孔狀的海綿鈦。這一生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能源。
進(jìn)入 21 世紀(jì)，我國(guó)海綿鈦制作工藝和產(chǎn)能有了顯著的提高。2021年我國(guó)海綿鈦產(chǎn)能17.6萬(wàn)噸，并且通過(guò)不斷優(yōu)化和創(chuàng)新加工技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海綿鈦全流程現(xiàn)代工藝技術(shù)生產(chǎn)，在還原蒸餾爐的電能消耗上已經(jīng)有了明顯降低，并且已經(jīng)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，這為后續(xù)鈦及鈦材料的低成本生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)保障。從目前的研究開發(fā)狀況來(lái)看，采用二氧化鈦直接電解從而得到鈦材料的新技術(shù)已經(jīng)顯示出了全面替代傳統(tǒng)制鈦方法的優(yōu)勢(shì)，但目前仍處于研究初期，將其正式利用到工業(yè)生產(chǎn)中還有一段很長(zhǎng)的路要走。
2.2 低成本鈦合金鑄錠制備技術(shù)
2.2.1 采用廉價(jià)金屬替代昂貴合金元素
針對(duì)鈦合金制作成本高的情況，國(guó)外已經(jīng)開始研究低成本制作鈦材料的技術(shù)了，并且已經(jīng)取得了顯著成效。而我國(guó)在近些年也開始關(guān)注低成本制造鈦材料的技術(shù)，并且我國(guó)已經(jīng)研究出了一個(gè)有效的方式，就是在合金設(shè)計(jì)工作中，用廉價(jià)的合金元素替代昂貴的合金元素，從而降低合金制作的綜合成本，以擴(kuò)大鈦合金的應(yīng)用范圍。通過(guò)多次實(shí)踐證明，此方法的應(yīng)用可行性高，并且對(duì)降低制作成本也有明顯效果。目前國(guó)內(nèi)將降低成本的重點(diǎn)放在了使用廉價(jià)的金屬元素替代傳統(tǒng)昂貴的金屬，通過(guò)這種技術(shù)制成的鈦合金綜合性能受制于強(qiáng)度和加工性能，主要應(yīng)用在汽車、體育等民用區(qū)域，在高端的航空領(lǐng)域還沒有得到有效應(yīng)用。
2.2.2 殘料回收利用技術(shù)
在鈦材料的加工生產(chǎn)過(guò)程中，鈦材料會(huì)在各項(xiàng)工序中產(chǎn)生一部分殘料，對(duì)于這些殘料，很多工廠都以廢料的形式處理掉了，這些殘料其實(shí)還具有實(shí)際利用價(jià)值。通過(guò)以下操作就可以變廢為寶，重復(fù)利用。首先可以先將這些殘料清洗干凈，然后根據(jù)每種殘料的特性進(jìn)行分類，將塊料以捆綁電極的方式進(jìn)行回收再利用，這些材料通過(guò)回收，再次利用率可達(dá) 100%。
目前，鈦材料的回收量還不到鈦材料的 20%，因此，生產(chǎn)單位可以通過(guò)回收鈦殘料的方式對(duì)鈦資源進(jìn)行二次利用，這樣可以極大程度上減少工業(yè)制造成本，同時(shí)還不會(huì)影響其應(yīng)用質(zhì)量 [2] 。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)開始利用該回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了降低成本的目標(biāo)。
這種二次利用鈦殘料的方法在鈦工業(yè)制造領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛推廣，特別是一些民營(yíng)企業(yè)，這種方法的利用率更高，同時(shí)也積累了很多經(jīng)驗(yàn)。但是，這些技術(shù)在使用過(guò)程中依舊存在很多弊端和問(wèn)題，最典型的問(wèn)題就是這種回收殘料的方法并沒有一個(gè)非常明確的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致回收的殘料質(zhì)量難以得到保證，利用率也相對(duì)低了很多。
2.2.3 新型熔煉方式
降低鈦合金制作成本的方式除了通過(guò)替換低價(jià)材料之外，科學(xué)合理地減少工業(yè)制造的流程也是一種比較有效降低制造成本的方法。目前，國(guó)際上生產(chǎn)大型優(yōu)質(zhì)鈦合金坯料使用的方法包括應(yīng)用新型的電子束冷床爐、等離子科冷床爐熔煉技術(shù)。
新型的熔煉方式能夠直接替代傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐熔煉，從工藝制作流程上進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而縮短了制作流程，省去了傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐熔煉的油壓機(jī)壓制電極、真空焊接等工序等，同時(shí)還能夠在一定程度上加大殘料的回收量。冷床爐熔煉技術(shù)的普及不僅降低制作的成本，同時(shí)也提升了鈦合金材料的質(zhì)量。特別是利用單一的冷床爐技術(shù)熔煉鈦合金，能夠直接熔鑄出扁錠，節(jié)省了近 20% 的制作成本。
目前，爐子適合熔煉合金與爐子的多少?zèng)]直接關(guān)系，而是兩種不同爐子的工作原理。相比于電子束冷床爐，等離子冷床爐在熔煉過(guò)程中合金元素更加容易控制，因此等離子冷床爐更加適合合金的熔煉。
在鈦合金的生產(chǎn)工藝中，電子束冷床爐和等離子冷床爐都可以容易燒鑄成扁錠，可以直接開坯。開坯是制造鈦合金必不可少的步驟，但通過(guò)上述技術(shù)方法，可以直接省去鍛造開坯階段，從而縮短制造流程。
隨著煉材技術(shù)的發(fā)展，部分鈦材料及其附屬產(chǎn)品的價(jià)格直線下降。比如在熱連軋、冷連軋技術(shù)的發(fā)展，使得鈦帶實(shí)現(xiàn)了連續(xù)快速軋制，縮短了鈦合金的制作流程，同時(shí)還降低了生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗，在產(chǎn)品質(zhì)量上也得到了提升。
軋制工藝具有效率高、制作流程短的特點(diǎn)，因此被鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用。鈦合金企業(yè)通過(guò)升級(jí)生產(chǎn)設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的效果，而且在此基礎(chǔ)上可降低生產(chǎn)成本。但是，實(shí)際的鈦合金短流程制作工藝在技術(shù)上還沒有足夠經(jīng)驗(yàn)，雖然與此前的生產(chǎn)相比效果提高了不少，但是這項(xiàng)技術(shù)的作用并沒有被充分發(fā)揮出來(lái)，因此還需要在生產(chǎn)過(guò)程中繼續(xù)探索，不斷完善。
2.4 近凈成形技術(shù)
2.4.1 增材制造技術(shù)
這項(xiàng)技術(shù)是根據(jù)原型制造的原理，將原材料的粉末或細(xì)絲通過(guò)激光的形式對(duì)金屬原材料進(jìn)行逐層熔化堆積。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)⒘慵?CAD 模型直接制備成型，變成一個(gè)致密高、性能強(qiáng)的金屬零件，是一項(xiàng)具有改革意義、周期短、低成本的制造新技術(shù)。
增材制造技術(shù)是近些年剛剛興起的快速制造技術(shù)，并且憑借其出色的制造效果，擁有非常廣闊的前景。該技術(shù)已被應(yīng)用在航空航天等國(guó)際尖端領(lǐng)域，特別是一些大型復(fù)雜零件的制造上，制造周期短、效果好、成本低，可以降低 50% 左右的成本消耗。雖然這些制造技術(shù)具有非常多的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在技術(shù)和工藝上依舊還是有許多地方需要完善，還有一些制作技術(shù)上的問(wèn)題沒有得到解決，因此該項(xiàng)技術(shù)還有很大的優(yōu)化空間。
2.4.2 EPS 消失模殼型鍛造技術(shù)
鈦及鈦合金精密鍛造技術(shù)是一種先進(jìn)的金屬鑄件生產(chǎn)技術(shù)，其中鈦及鈦合金 EPS 消失模殼型鑄造技術(shù)，會(huì)降低鈦合金的制造成本，同時(shí)還能簡(jiǎn)化制造工序，縮短制作周期。這項(xiàng)技術(shù)不光能在生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面節(jié)省成本，降低能源消耗，同時(shí)還能夠提升產(chǎn)品的質(zhì)量和精度。EPS 消失模殼型鑄造技術(shù)作為一種高效的鑄造技術(shù)無(wú)論從工藝流程還是從生產(chǎn)成本，甚至是產(chǎn)品質(zhì)量上來(lái)看，都是一種具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的新型鑄造技術(shù)，可以全面實(shí)現(xiàn)低成本制造。但是利用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行合金制造時(shí)會(huì)出現(xiàn)表面污染情況，這個(gè)問(wèn)題需要得到相關(guān)企業(yè)的高度重視，盡早解決。
2.4.3 金屬粉末注射成型技術(shù)
金屬粉末注射成型技術(shù)是將注射成型工藝和粉末冶金結(jié)合的工藝技術(shù)，金屬粉末注射成型技術(shù)作為一種近凈成形技術(shù)，可以用于制造高品質(zhì)、高精度的復(fù)雜零件，是目前最具優(yōu)勢(shì)的成形技術(shù)之一。利用金屬粉末注射成型技術(shù)可以制造一些精度要求較高的零件，同時(shí)在制作過(guò)程中即使出現(xiàn)了固相燒結(jié)，相對(duì)精度也能夠達(dá)到 95% 以上，性能也足以和鍛造材料相媲美。同時(shí)通過(guò)使用金屬粉末注射成型技術(shù)支撐的零件在尺寸精度上也能夠達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，還能最大程度上支撐最終形狀的零件，最重要的一點(diǎn)就是不需要后期對(duì)零件進(jìn)行加工和打磨，從而保證金屬的利用率達(dá)到 100%。金屬的利用率是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，通過(guò)提高金屬利用率減少金屬使用量，同時(shí)還能優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，從而保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
作為粉末冶金的新技術(shù)，金屬粉末注射成型技術(shù)在汽車制造行業(yè)運(yùn)用的范圍最廣，在制作汽車零件和汽車機(jī)械部件上，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。在制作工藝和周期上都比傳統(tǒng)制作技術(shù)具有更多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在制作質(zhì)量上也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制造技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在成本控制上也能夠達(dá)到最佳化，通過(guò)優(yōu)化制作技術(shù)，縮短制作流程，降低制作成本，是一項(xiàng)非常值得相關(guān)部門大力推廣的制作零件的新型技術(shù)。
3、結(jié)語(yǔ)
鈦合金材料無(wú)論從使用范圍還是從使用壽命方面都要明顯優(yōu)于其他合金材料，而且在制作成本方面也要低于其他合金材料。隨著海綿鈦材料的產(chǎn)量和鈦合金加工產(chǎn)量的快速增加，充裕的產(chǎn)能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，都是擴(kuò)大鈦金屬使用范圍的重要基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)海綿鈦的制備、鑄錠制備的優(yōu)化，高效軋制等技術(shù)的應(yīng)用，鈦合金制作成本進(jìn)一步降低，綜合成本可降低 3 成左右，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，還能充分滿足鈦材料的實(shí)際需求。因此，在現(xiàn)有的原材料生產(chǎn)、加工以及工藝制作的基礎(chǔ)上，鈦及鈦合金的應(yīng)用已經(jīng)具備了充足條件，因此有必要對(duì)其進(jìn)行大力推廣。
參考文獻(xiàn)：
[1] 王祝堂. 低成本鈦合金開發(fā)現(xiàn)狀[J]. 世界有色金屬，1994 (6): 32-33.
[2] 趙秦陽(yáng)，陳永楠，徐義庫(kù)，等. 鈦合金材料低成本化制備技術(shù)進(jìn)展與展望[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2021, 31(11):3127-3140.
tag標(biāo)簽:鈦合金