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    鈦棒鈦絲等鈦及鈦合金材料降低成本提升經濟性的方法

    發布時間:2023-11-10 17:06:20 瀏覽次數 :

    引言

    鈦和鈦合金材料因其應用價值非常高,被廣泛應用于多個尖端科技制造領域,比如:艦船、航空航天、太空飛行器等。同時,在化工生產、石油、電力等決定著國家經濟命脈的產業中,鈦和鈦合金也發揮著非常重要的作用。但由于傳統觀念的限制,人們對合金的認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,應用范圍也更加廣范。未來隨著高端制造業的發展,鈦和鈦合金材料的優勢將會凸顯,應用范圍還將進一步擴大。

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    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,致使其推廣應用范圍和速度都不理想。除了生產成本高外,影響鈦材料推廣的另一個原因是因為鈦及鈦合金產量小,無法滿足現階段市場實際需求。

    文章通過將鈦棒、鈦管、鈦絲等鈦及鈦合金的各項指標與其他合金材料對比,闡明了鈦材料的應用優勢和綜合的市場競爭力。

    1、 鈦及鈦合金在經濟效益方面的分析

    1.1 鈦材料產量持續提升

    根據有關部門的數據統計,鈦合金在近 10 年內價格持續在降低,而其產量和應用范圍卻比其他合金增長和擴展得要快,而且產量呈現持續增長的態勢,為鈦材料擴大市場應用范圍奠定了重要基礎。

    1.2 鈦合金材料應用優勢凸顯

    隨著我國鈦材料加工技術的高速發展,其產量和質量都呈現上升趨勢,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,在建設艦船管道系統方面,鈦合金材料的應用優勢要明顯高于傳統材料。國外有人對于艦船上管道系統所用合金材料進行研究并給出了綜合評價,其中就包括鈦合金以及傳統合金材料。通過研究對比顯示,傳統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行高頻次的維護,甚至出現沒有達到規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腐蝕現象。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行高頻次的維修,只需要定期進行簡單的檢查維護 [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

    現階段,我國海綿鈦的產品價格在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。鈦材的生產成本大概在 10 萬元左右,熔煉和原料的加工構成比例是 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。通過以上數據可以分析得出,降低鈦材料的制造成本可以從兩方面進行,首先是降低生產原材料的價格,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用優勢,研制出高性能、低成本的鈦合金材料成為當前行業發展熱點。要實現降低鈦材料的成本,主要可以從原材料價格、合金熔煉的制作成本、加工技術投入以及工藝技術方面入手,來降低鈦材料制作的整體成本。通過創新鈦材料在原材料制備、鑄錠制備等技術,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

    海綿鈦是生產鈦錠和鈦材料的原料,其生產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,就得到多孔狀的海綿鈦。這一生產過程需要消耗大量的能源。

    進入 21 世紀,我國海綿鈦制作工藝和產能有了顯著的提高。2021年我國海綿鈦產能17.6萬噸,并且通過不斷優化和創新加工技術,已經實現了海綿鈦全流程現代工藝技術生產,在還原蒸餾爐的電能消耗上已經有了明顯降低,并且已經達到國際標準,這為后續鈦及鈦材料的低成本生產提供了基礎保障。

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    從目前的研究開發狀況來看,采用二氧化鈦直接電解從而得到鈦材料的新技術已經顯示出了全面替代傳統制鈦方法的優勢,但目前仍處于研究初期,將其正式利用到工業生產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

    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,國外已經開始研究低成本制作鈦材料的技術了,并且已經取得了顯著成效。而我國在近些年也開始關注低成本制造鈦材料的技術,并且我國已經研究出了一個有效的方式,就是在合金設計工作中,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,以擴大鈦合金的應用范圍。通過多次實踐證明,此方法的應用可行性高,并且對降低制作成本也有明顯效果。目前國內將降低成本的重點放在了使用廉價的金屬元素替代傳統昂貴的金屬,通過這種技術制成的鈦合金綜合性能受制于強度和加工性能,主要應用在汽車、體育等民用區域,在高端的航空領域還沒有得到有效應用。

    2.2.2 殘料回收利用技術

    在鈦材料的加工生產過程中,鈦材料會在各項工序中產生一部分殘料,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,重復利用。首先可以先將這些殘料清洗干凈,然后根據每種殘料的特性進行分類,將塊料以捆綁電極的方式進行回收再利用,這些材料通過回收,再次利用率可達 100%。

    目前,鈦材料的回收量還不到鈦材料的 20%,因此,生產單位可以通過回收鈦殘料的方式對鈦資源進行二次利用,這樣可以極大程度上減少工業制造成本,同時還不會影響其應用質量 [2] 。國內部分企業已經開始利用該回收技術,實現了降低成本的目標。

    這種二次利用鈦殘料的方法在鈦工業制造領域已經被廣泛推廣,特別是一些民營企業,這種方法的利用率更高,同時也積累了很多經驗。但是,這些技術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準,導致回收的殘料質量難以得到保證,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,科學合理地減少工業制造的流程也是一種比較有效降低制造成本的方法。目前,國際上生產大型優質鈦合金坯料使用的方法包括應用新型的電子束冷床爐、等離子科冷床爐熔煉技術。

    新型的熔煉方式能夠直接替代傳統的真空自耗電弧爐熔煉,從工藝制作流程上進行簡化,從而縮短了制作流程,省去了傳統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量。特別是利用單一的冷床爐技術熔煉鈦合金,能夠直接熔鑄出扁錠,節省了近 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。隨著煉材技術的發展,部分鈦材料及其附屬產品的價格直線下降。比如在熱連軋、冷連軋技術的發展,使得鈦帶實現了連續快速軋制,縮短了鈦合金的制作流程,同時還降低了生產過程中的能源消耗,在產品質量上也得到了提升。

    軋制工藝具有效率高、制作流程短的特點,因此被鋼鐵企業廣泛應用。鈦合金企業通過升級生產設備也可以實現連續生產的效果,而且在此基礎上可降低生產成本。但是,實際的鈦合金短流程制作工藝在技術上還沒有足夠經驗,雖然與此前的生產相比效果提高了不少,但是這項技術的作用并沒有被充分發揮出來,因此還需要在生產過程中繼續探索,不斷完善。

    2.4 近凈成形技術

    2.4.1 增材制造技術

    這項技術是根據原型制造的原理,將原材料的粉末或細絲通過激光的形式對金屬原材料進行逐層熔化堆積。這項技術能夠將零件的 CAD 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。

    增材制造技術是近些年剛剛興起的快速制造技術,并且憑借其出色的制造效果,擁有非常廣闊的前景。該技術已被應用在航空航天等國際尖端領域,特別是一些大型復雜零件的制造上,制造周期短、效果好、成本低,可以降低 50% 左右的成本消耗。雖然這些制造技術具有非常多的技術優勢,但是在技術和工藝上依舊還是有許多地方需要完善,還有一些制作技術上的問題沒有得到解決,因此該項技術還有很大的優化空間。

    2.4.2 EPS 消失模殼型鍛造技術

    鈦及鈦合金精密鍛造技術是一種先進的金屬鑄件生產技術,其中鈦及鈦合金 EPS 消失模殼型鑄造技術,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。這項技術不光能在生產環節方面節省成本,降低能源消耗,同時還能夠提升產品的質量和精度。EPS 消失模殼型鑄造技術作為一種高效的鑄造技術無論從工藝流程還是從生產成本,甚至是產品質量上來看,都是一種具有絕對優勢的新型鑄造技術,可以全面實現低成本制造。但是利用此項技術進行合金制造時會出現表面污染情況,這個問題需要得到相關企業的高度重視,盡早解決。

    2.4.3 金屬粉末注射成型技術

    金屬粉末注射成型技術是將注射成型工藝和粉末冶金結合的工藝技術,金屬粉末注射成型技術作為一種近凈成形技術,可以用于制造高品質、高精度的復雜零件,是目前最具優勢的成形技術之一。利用金屬粉末注射成型技術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了固相燒結,相對精度也能夠達到 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支撐的零件在尺寸精度上也能夠達到規定標準,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行加工和打磨,從而保證金屬的利用率達到 100%。金屬的利用率是降低企業生產成本的關鍵,通過提高金屬利用率減少金屬使用量,同時還能優化產品質量,從而保證企業的經濟效益。

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    作為粉末冶金的新技術,金屬粉末注射成型技術在汽車制造行業運用的范圍最廣,在制作汽車零件和汽車機械部件上,具有絕對的優勢。在制作工藝和周期上都比傳統制作技術具有更多優勢,同時在制作質量上也遠優于傳統工藝制造技術。這項技術在成本控制上也能夠達到最佳化,通過優化制作技術,縮短制作流程,降低制作成本,是一項非常值得相關部門大力推廣的制作零件的新型技術。

    3、 結語

    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量和鈦合金加工產量的快速增加,充裕的產能和價格優勢,都是擴大鈦金屬使用范圍的重要基礎。通過對海綿鈦的制備、鑄錠制備的優化,高效軋制等技術的應用,鈦合金制作成本進一步降低,綜合成本可降低 3 成左右,在降低生產成本的同時,還能充分滿足鈦材料的實際需求。因此,在現有的原材料生產、加工以及工藝制作的基礎上,鈦及鈦合金的應用已經具備了充足條件,因此有必要對其進行大力推廣。

    參考文獻:

    [1] 王祝堂. 低成本鈦合金開發現狀[J]. 世界有色金屬,1994 (6): 32-33.

    [2] 趙秦陽,陳永楠,徐義庫,等. 鈦合金材料低成本化制備技術進展與展望[J]. 中國有色金屬學報,2021, 31(11):3127-3140.

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