鈦及鈦合金材料降低成本提升經(jīng)濟性的方法

許剛，閆明，張海濤(龍佰集團股份有限公司，河南 焦作 454191)

0 引言

鈦和鈦合金材料因其應(yīng)用價值非常高，被廣泛應(yīng)用于多個尖端科技制造領(lǐng)域，比如：艦船、航空航天、太空飛行器等。同時，在化工生產(chǎn)、石油、電力等決定著國家經(jīng)濟命脈的產(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，人們對合金的認(rèn)識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低一些，應(yīng)用范圍也更加廣范。未來隨著高端制造業(yè)的發(fā)展，鈦和鈦合金材料的優(yōu)勢將會凸顯，應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴大。

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原因是因為鈦及鈦合金產(chǎn)量小，無法滿足現(xiàn)階段市場實際需求。文章通過將鈦及鈦合金的各項指標(biāo)與其他合金材料對比，闡明了鈦材料的應(yīng)用優(yōu)勢和綜合的市場競爭力。

1 鈦及鈦合金在經(jīng)濟效益方面的分析

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，鈦合金在近10 年內(nèi)價格持續(xù)在降低，而其產(chǎn)量和應(yīng)用范圍卻比其他合金增長和擴展得要快，而且產(chǎn)量呈現(xiàn)持續(xù)增長的態(tài)勢，為鈦材料擴大市場應(yīng)用范圍奠定了重要基礎(chǔ)。

1.2 鈦合金材料應(yīng)用優(yōu)勢凸顯

隨著我國鈦材料加工技術(shù)的高速發(fā)展，其產(chǎn)量和質(zhì)量都呈現(xiàn)上升趨勢，這也直接影響了鈦材料的整體價格，使得鈦材料的價格處在合理的位置。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)勢要明顯高于傳統(tǒng)材料。國外有人對于艦船上管道系統(tǒng)所用合金材料進(jìn)行研究并給出了綜合評價，其中就包括鈦合金以及傳統(tǒng)合金材料。通過研究對比顯示，傳統(tǒng)的合金材料在使用過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，甚至出現(xiàn)沒有達(dá)到規(guī)定年限就需要換新的情況，這主要由于長時間的使用會使材料接口處出現(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，也就是說在建造艦船時，使用的鈦合金材料部件，能夠使用到艦船退休或報廢，而且使用期間也無需進(jìn)行高頻次的維修，只需要定期進(jìn)行簡單的檢查維護[1]，綜合成本算下來不比普通合金貴。

2 降低鈦及鈦合金材料制造成本的對策

現(xiàn)階段，我國海綿鈦的產(chǎn)品價格在價格在6 萬元/噸左右，這個價格是鈦材料使用至今的最低價，甚至低過了海綿鈦生產(chǎn)的成本價。鈦材料的價格基本由幾個方面組成，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 萬元左右，熔煉和原料的加工構(gòu)成比例是1∶1 左右，而對于售價每噸15 萬～20 萬元售價的鈦合金來說，比例大概在1∶1.5 以上。通過以上數(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，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。要實現(xiàn)降低鈦材料的成本，主要可以從原材料價格、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，來降低鈦材料制作的整體成本。通過創(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%，而且不會因為成本的降低而影響鈦材料的使用性能低，鈦成本每噸降低6 000元，加工成本就會降低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)過程需要消耗大量的能源。

進(jìn)入21 世紀(jì)，我國海綿鈦制作工藝和產(chǎn)能有了顯著的提高。2021年我國海綿鈦產(chǎn)能17.6萬噸，并且通過不斷優(yōu)化和創(chuàng)新加工技術(shù)，已經(jīng)實現(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，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 采用廉價金屬替代昂貴合金元素

針對鈦合金制作成本高的情況，國外已經(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)，并且我國已經(jīng)研究出了一個有效的方式，就是在合金設(shè)計工作中，用廉價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，以擴大鈦合金的應(yīng)用范圍。通過多次實踐證明，此方法的應(yīng)用可行性高，并且對降低制作成本也有明顯效果。目前國內(nèi)將降低成本的重點放在了使用廉價的金屬元素替代傳統(tǒng)昂貴的金屬，通過這種技術(shù)制成的鈦合金綜合性能受制于強度和加工性能，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)過程中，鈦材料會在各項工序中產(chǎn)生一部分殘料，對于這些殘料，很多工廠都以廢料的形式處理掉了，這些殘料其實還具有實際利用價值。通過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)單位可以通過回收鈦殘料的方式對鈦資源進(jìn)行二次利用，這樣可以極大程度上減少工業(yè)制造成本，同時還不會影響其應(yīng)用質(zhì)量[2]。國內(nèi)部分企業(yè)已經(jīng)開始利用該回收技術(shù)，實現(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，特別是一些民營企業(yè)，這種方法的利用率更高，同時也積累了很多經(jīng)驗。但是，這些技術(shù)在使用過程中依舊存在很多弊端和問題，最典型的問題就是這種回收殘料的方法并沒有一個非常明確的標(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替換低價材料之外，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壓制電極、真空焊接等工序等，同時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沒直接關(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，使得鈦帶實現(xiàn)了連續(xù)快速軋制，縮短了鈦合金的制作流程，同時還降低了生產(chǎn)過程中的能源消耗，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，因此被鋼鐵企業(yè)廣泛應(yīng)用。鈦合金企業(yè)通過升級生產(chǎn)設(shè)備也可以實現(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，雖然與此前的生產(chǎn)相比效果提高了不少，但是這項技術(shù)的作用并沒有被充分發(fā)揮出來，因此還需要在生產(chǎn)過程中繼續(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)絲通過激光的形式對金屬原材料進(jìn)行逐層熔化堆積。這項技術(shù)能夠?qū)⒘慵腃AD 模型直接制備成型，變成一個致密高、性能強的金屬零件，是一項具有改革意義、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，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)上的問題沒有得到解決，因此該項技術(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)，會降低鈦合金的制造成本，同時還能簡化制造工序，縮短制作周期。這項技術(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)量上來看，都是一種具有絕對優(yōu)勢的新型鑄造技術(shù)，可以全面實現(xiàn)低成本制造。但是利用此項技術(shù)進(jìn)行合金制造時會出現(xiàn)表面污染情況，這個問題需要得到相關(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，同時在制作過程中即使出現(xiàn)了固相燒結(jié)，相對精度也能夠達(dá)到95% 以上，性能也足以和鍛造材料相媲美。同時通過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，最重要的一點就是不需要后期對零件進(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，通過提高金屬利用率減少金屬使用量，同時還能優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，從而保證企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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)運用的范圍最廣，在制作汽車零件和汽車機械部件上，具有絕對的優(yōu)勢。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，同時在制作質(zhì)量上也遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)工藝制造技術(shù)。這項技術(shù)在成本控制上也能夠達(dá)到最佳化，通過優(yōu)化制作技術(shù)，縮短制作流程，降低制作成本，是一項非常值得相關(guān)部門大力推廣的制作零件的新型技術(shù)。

3 結(jié)語

鈦合金材料無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)能和價格優(yōu)勢，都是擴大鈦金屬使用范圍的重要基礎(chǔ)。通過對海綿鈦的制備、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，還能充分滿足鈦材料的實際需求。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，因此有必要對其進(jìn)行大力推廣。