鈦金屬在首飾設(shè)計中的工藝研究

鈦金屬作為目前材料研究領(lǐng)域的熱門，大多數(shù)人都以為到了近代它才得到大家的關(guān)注，其實我國至少在明代以前就關(guān)注到它。在明代萬歷年間所著《事物紺珠》就有其相關(guān)記載：“峨嵋水精出峨嵋山石中，有絲黑毫如眉，甚奇?！彪m然還遠(yuǎn)談不上“充分了解”，卻記錄了其產(chǎn)地、顏色以及質(zhì)地，在當(dāng)時已實屬不易。

文中所提到的“水精”其形成原因是二氧化鈦的存在所造成的，也就是金紅石。經(jīng)現(xiàn)代礦物學(xué)分析，目前已知的含鈦礦物約140種，但工業(yè)應(yīng)用的主要就是金紅石和鈦鐵礦，而四川正是我國鈦資源最豐富的省份。這也正好印證了《事物紺珠》中的記載。

鈦金屬具有強度大、密度小、硬度大、熔點高、抗腐蝕性強、可塑性高等特點，是制作首飾非常理想的材料。我國對鈦金屬的應(yīng)用始于上世紀(jì)60年代，因其優(yōu)良特性剛開始主要應(yīng)用于國防軍工制造。但近年來，隨著人們對鈦金屬認(rèn)識的深入與制造工藝的發(fā)展，這種被稱作“空間金屬”“海洋金屬”“全能金屬”的新型金屬材料，逐漸從“軍工”轉(zhuǎn)向“民用”。例如，以鈦金屬制成的自行車、眼鏡架、保溫杯、餐具、廚具、手表等工業(yè)產(chǎn)品，廣受大眾青睞，因而鈦金屬也逐漸被更多人所識，也讓大家看到鈦金屬在民用市場的無限潛力。

盡管如此，目前鈦金屬在我國珠寶首飾行業(yè)中的研究與應(yīng)用時間還較短，產(chǎn)品類別與數(shù)量較少，相關(guān)文獻與專利技術(shù)也比較缺乏，面對廣闊的市場前景，亟待進行更深入的研究和挖掘。

一、鈦金屬首飾的成型工藝

由于鈦金屬具有重量輕的特點，以其制作的首飾比傳統(tǒng)珠寶首飾行業(yè)常見的金、銀等金屬更輕，因而更適于人們的佩戴，也更適合制作有藝術(shù)設(shè)計感的首飾。鈦金屬元素穩(wěn)定，具有較好的“親膚性”，不會與人體產(chǎn)生過敏反應(yīng)，這一優(yōu)勢對于敏感體質(zhì)的消費群體尤為突出。鈦金屬具有優(yōu)異的抗腐蝕性，所以鈦合金首飾也不會氧化變色。而且，還可以通過陽極氧化著色工藝使鈦金屬呈現(xiàn)出更為豐富的色彩變化，從而打破傳統(tǒng)金、銀首飾色彩比較單一的弊端，有利于滿足消費者對首飾色彩的多元化需求。同時，這也為設(shè)計師提供更廣闊的設(shè)計思路。

目前，在我國珠寶行業(yè)，鈦金屬的成型工藝主要有切割彎曲成型、3D打印成型、澆鑄成型3種方式。

（一）切割彎曲成型

對鈦金屬而言，由于其硬度高，手工切割比金、銀、銅這些常見金屬材料難度大很多。尤其在鏤空制作時，操作者對切割的力度與方向需要有非常精準(zhǔn)的把握。以曲線鏤空造型的鈦金屬手鐲為例，這些曲線鏤空造型是利用1毫米厚的T4鈦合金板材制作。在切割過程中，由于鈦金屬的黏性大、強度高，加工過程中會產(chǎn)生大量熱量，而鈦金屬材料本身又難以有效導(dǎo)熱，這就要求操作者速度不能太快，否則就會造成局部溫度升高，使切割工具損耗加大。因而鈦金屬首飾制作需要更長的時間和工具損耗成本。一個帶有曲線鏤空紋飾的鈦金屬手鐲，需要耗時約32小時，還不包括鈦金屬表面打磨的時間。可見，手工制作鈦金屬首飾勞動強度較大，大大增加了人工成本。但隨著科技發(fā)展，用激光切割可大大節(jié)約制作時間，且已經(jīng)有人進行了探索。

由于受材料加工工藝的限制，這種手工制作鈦金屬首飾的方法，特別適合定制一些具有獨特藝術(shù)感的首飾。在金屬條或片狀金屬的彎曲過程中，創(chuàng)作者可以根據(jù)對材料的感知進行更為自由靈活發(fā)揮或即時調(diào)整，且鈦金屬的可塑性也往往會激發(fā)創(chuàng)作者的靈感，從而使手鐲的整體造型更加協(xié)調(diào)和富于變化。由于這種成型方法具有許多可變性，往往能呈現(xiàn)出意想不到的藝術(shù)效果，因而“切割彎曲成型”也成為藝術(shù)家喜愛的一種成型方式。

3D打印技術(shù)無需大型生產(chǎn)設(shè)備與復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，可以在一定程度上簡化加工工序、縮短生產(chǎn)時間，是當(dāng)下及未來一段時間內(nèi)非常重要的成型方式。目前，3D打印技術(shù)雖然已經(jīng)在陶瓷、塑膠、石膏等非金屬領(lǐng)域有著比較成熟的應(yīng)用，但在金屬領(lǐng)域還存在一些技術(shù)問題需要改進。例如，用金粉打印“K金”首飾，其成型支點較多，對于一般造型而言，比傳統(tǒng)鑄造工藝成型損耗大；3D打印設(shè)備的用電與氮氣消耗也是增大制作成本的重要因素，因而改進3D打印技術(shù)、降低生產(chǎn)成本是當(dāng)下打印設(shè)備技術(shù)研發(fā)的重點。

（二）3D打印成型

3D打印鈦金屬首飾是靠粉末成型，打印過程是一個高能瞬態(tài)冶金過程，在這一過程中材料的融化、凝固和冷卻都是在極短的時間完成。這種工藝對粉末質(zhì)量的要求比較高，目前我國已研發(fā)出較高質(zhì)量的鈦金屬粉末，主要有純鈦金屬粉末與鈦合金粉末兩種。

（三）鑄造成型

以鈦金屬首飾作品《樹葉胸針》為例分析鈦金屬首飾3D打印成型的方法。它的制作是在繪制好設(shè)計圖后，利用手工雕蠟成形，然后結(jié)合立體掃描生成三維建模文件，再利用“犀牛”建模軟件對結(jié)構(gòu)進行完善與修整。其實對于大部分造型而言，都可以利用“犀?！苯＼浖苯油瓿?。但為了讓作品達到更好的效果，筆者對一些自然形態(tài)的造型會選用蠟或雕泥做出立體形態(tài)模型，經(jīng)過對設(shè)計造型分析后，再掃描成3D模型文件，然后通過“犀牛”軟件進行修整。這種建模方式最大的優(yōu)點是可以很好地把控造型的變化，而且在設(shè)計過程中可隨時進行調(diào)整，幫助設(shè)計師把握作品的實際空間變化與尺寸。3D建模時可以在軟件中調(diào)節(jié)所需要的尺寸，不需因尺寸的變化再重新制作，還可以“鏡像”創(chuàng)作出對稱形態(tài)或是尺寸上不同變化的作品，極大節(jié)省了制作時間。

我國鈦合金鑄造的研究始于20世紀(jì)60年代。2近年來我國對于鈦合金材料及工藝進行了有效研究，并取得了顯著進步。鈦合金鑄造工藝主要應(yīng)用在高科技行業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療產(chǎn)品等領(lǐng)域，目前這一生產(chǎn)工藝不太適用于首飾的生產(chǎn)。由于鈦金屬在熔融狀態(tài)下非?；钴S，其材料鑄造時需在真空中進行，所以利用傳統(tǒng)的澆鑄成型方式很難成型，目前主要是先將鈦金屬熔煉后，使用真空自耗電弧凝殼爐這一專用的澆鑄設(shè)備澆鑄成型。這種“凝殼爐”生產(chǎn)效率高，適用于工業(yè)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，尤其適合結(jié)構(gòu)一體部件的生產(chǎn)。此外，由于目前市場對鈦金屬首飾還沒有大量需求，多是單件生產(chǎn)，鑄造成型工藝往往成本偏高，且生產(chǎn)周期長。故總體而言，目前鈦金屬首飾還有待加工工藝與消費市場的進一步發(fā)展。

二、鈦合金首飾的著色工藝

鈦金屬表面著色工藝主要有離子注入法、大氣氧化法與陽極氧化法，目前，后兩者在首飾制作領(lǐng)域運用較多，創(chuàng)作者可以根據(jù)設(shè)計需求對著色方式進行選擇。離子注入法是將氮離子直接注入鈦金屬表面，3通過化學(xué)熱處理進行色彩變化加工。由于目前這種技術(shù)操作起來較復(fù)雜，在首飾制作中較少應(yīng)用；4大氣氧化法主要依靠火槍對表面進行著色。這種著色方法由于穩(wěn)定性難以控制，很難生成一樣的色彩效果，但這反而促使其生成非常漂亮、更有視覺吸引力的漸變色彩效果，深受設(shè)計師喜愛。但此氧化法由于受火槍溫度的限制，所生成的色彩有限，變化較少，把控不當(dāng)可能會導(dǎo)致表面粉化與脫色現(xiàn)象，所以對創(chuàng)作者的要求較高。

而陽極氧化法則是最受歡迎的著色方法，在近些年得到大力發(fā)展。這一方法在鈦金屬表面生成的氧化膜強度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、色彩變化豐富，具有較高的觀賞價值。值得一提的是，鈦金屬陽極氧化著色法受到氧化時間、電解液溫度、電解液濃度及電壓的影響，其著色變化非常微妙。尤其是電壓是決定氧化膜最主要的因素，且在5V＼～150V這一區(qū)間電壓變化的每一秒都會出現(xiàn)不同色彩的變化。筆者在實驗中，曾以10V電壓為起點，以每10V電壓漸次遞增，鈦金屬依次出現(xiàn)黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色變化。雖然這一方法具有附著力強的特點，幾乎不會掉色、褪色，但在制作過程中操作不當(dāng)會出現(xiàn)色彩脫落現(xiàn)象，不僅對工作環(huán)境、電解液、電源等有著嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，也對操作者有著較高要求。

例如，以綠色作為主色調(diào)的鈦金屬作品《樹葉胸針》，在陽極氧化著色處理時，需通過手控電壓在80V＼～85V，每10秒增壓5V＼～10V。處理時，一只手控壓的同時，另一只手需移動被著色的首飾，使其呈現(xiàn)出藍(lán)綠向黃綠變色的漸變效果。處理結(jié)束后，著色金屬件還需進行清洗、干燥兩道工序，以保證色彩的穩(wěn)定性。

鈦金屬色彩的豐富變化雖然讓首飾作品更亮眼，但也帶來了新的問題：在與寶石或其他材質(zhì)結(jié)合時對色彩搭配要求更高，稍有不慎就會導(dǎo)致整體色彩不協(xié)調(diào)。例如，在鈦金屬著色的基礎(chǔ)上，利用大漆工藝使“樹葉”表面的色彩產(chǎn)生肌理和色彩的變化，在高手的操作下可以達到“錦上添花”的效果，讓整件“樹葉”胸針作品呈現(xiàn)出豐富色彩變化的同時也更加協(xié)調(diào)。反之，如果操作者缺乏一定的美學(xué)素養(yǎng)或工藝基礎(chǔ)，則可能“畫蛇添足”，會毀了這件作品。

三、結(jié)語

鈦金屬這一新型材料的出現(xiàn)給首飾行業(yè)帶來了新的曙光，雖然目前存在加工成本高、亟需改進加工技術(shù)等問題，但可以看到鈦金屬行業(yè)已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)难邪l(fā)與生產(chǎn)能力。從材料特性看，其優(yōu)良特性填補了金、銀等常見貴金屬比重高、體量大、重量大、易氧化變色等困擾首飾界的諸多問題。從市場角度看，目前我國鈦金屬產(chǎn)品的消費需求遠(yuǎn)大于市場供給。所以綜合來看，當(dāng)下正是我國鈦金屬首飾行業(yè)發(fā)展的大好時機。

參考文獻

[1]何健，王斌，魏民.鈦合金加工工藝新技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（8）：148-149.

[2]孫淑利.國內(nèi)鈦合金鑄造行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2021（3）：87+89

[3]戴正宏，王玉林，何寶明.鈦陽極氧化膜的著色研究[J].材料保護，2004（3）：25-27.

[4]張福文.鈦金屬著色效果及其在首飾設(shè)計中的運用[J].藝術(shù)教育，2014（1）： 203+208