國內外低成本鈦產品生產技術概述

李獻軍        馮軍寧

(寶鈦集團有限公司  陜西 寶雞 721014

摘要:鈦具有比強度高、耐腐蝕、無磁、超導、形狀記憶、生物相容性好等優點,特別適合作為結構材料和特種材料使用,但與不銹鋼、銅、鎳等材料相比,鈦材的價格明顯偏高,這極大地影響了鈦在一般工業的推廣應用。降低鈦產品成本一直是鈦業內人士追逐的目標,也是進一步擴大鈦應用的重要條件。本文概述了近年來國內外低成本鈦產品的生產技術,包括金屬鈦提取技術、熔煉、粉末冶金、加工技術、精密鑄造技術、低成本鈦合金材料的研制等,旨在拓展鈦的新應用市場。

關鍵詞:低成本;鈦;生產技術

1  引言

鈦具有優異的性能,被譽為“太空金屬”、“海洋金屬”和“智慧金屬”等,特別適合作為結構材料和特種材料使用。但由于鈦的制造成本和加工成本較高,導致鈦產品的價格明顯偏高,這極大地影響了鈦在一般工業的推廣和應用。

降低鈦產品成本一直是國內外鈦業內人士追逐的目標。美國和日本在降低鈦產品成本的研究領域一直比較活躍。如美國軍隊為了實現陸地作戰車輛、兵器的高性能化以及輕量化而積極使用鈦材,并積極研發降低鈦材成本的各種途徑。為了降低鈦產品的成本,美國在新的生產方法、加工技術的開發方面進行了大量的研究工作,日本則在專門用途的低成本合金研究中投入較大。中國最近幾年也十分重視低成本鈦合金的研制工作并取得了很大進展。

2  鈦提取技術[1-2]

鈦的價格較高的主要原因是冶煉成本過高,因此,降低鈦產品成本的關鍵是降低金屬鈦的生產成本。傳統的克勞爾法和亨特法生產金屬鈦的工序復雜,能耗較大,成本較高。多年來人們一直努力開發新的低成本生產工藝以取代傳統工藝。目前正在研究、開發或改進的鈦的生產工藝很多,但適合大規模工業化生產的工藝并不多。其中最有前途的工藝為FFC劍橋工藝,該工藝在降低鈦成本上具有獨創性和實用價值,是最有希望成為替代傳統海綿鈦生產方法的工藝。該工藝的突出特點是它以TiO2代替TiCl4做初級原料,簡化工序,降低成本,具有能耗低、易實現自動化、連續生產的優勢。

美國國際鈦粉末公司(ITP)研制且準備商業化生產的阿姆斯壯法具有連續性的優點,可在低溫下生產,不需要傳統的凈化過程。該工藝是一種一步連續生產高純鈦金屬和合金粉末的低成本技術??繕款呀鶚艏霸ず轄鴰念呀鶚?。ITP法結合現有的和開發的粉末處理技術,將減少最終部件生產成本達50%。

除了上述方法外,還有MER復合陽極法(MER公司,TiO2陽極還原)、SRI法(SRI公司,TiCl4流動層氫還原)、等離子淬火法(TiCl4等離子氫還原)等方法正在進行研究和開發之中。

3  鈦產品生產技術

3.1熔煉技術

冷爐床熔煉(CHM)與傳統的真空自耗電弧熔煉(VAR)相比,在降低鈦熔煉產品成本方面具有裝備和工藝優勢,如能大量回收殘料,甚至可以100%使用殘料作為原料;對于某些特殊用途,可一次熔煉成錠;還可以生產扁錠、空心錠,減少板材和管材加工工序。如美國鈦生產企業采用冷爐床單次熔煉技術,省去了VAR法的電極壓制、一次熔煉、鑄錠開坯等工序,生產工序大大精簡,這樣可以提高成品率,降低鈦產品生產成本。目前已經在緊固件、彈簧等產品上得到了應用。

3.2粉末冶金[3-6]

鈦粉末冶金技術(P/M)是一種高生產率、低成本生產近凈成形部件方法,部件尺寸可嚴格控制,且部件穩定性和再生產性好,在滿足質量標準的同時可以節省生產時間,降低成本。美國學者F.H.Froes把鈦的粉末冶金歸納為粉末注射成形(PIM)、噴射成形、近終形成形(混合元素和預合金)等。PIM是一種基于塑料的注射成形技術而發展起來的一門技術。它適合小而形狀復雜的零件的生產。用該法生產的鈦和鈦合金的性能完全達到了相同成分的熔煉鍛造材料的水平,但成本大大降低。如美國猶他大學研發的工藝可降低鈦產品成本約90%,同時還降低了能源消耗。與此同時,人們對噴射成形的研究也比較活躍。用噴射粉末超聲流可制成整體的成形件和噴涂件。近終形成形可分為混合元素法(BE)和預合金粉法(PA)兩種類型進行生產?;旌顯胤ㄊ窮遜勰┮苯鴯ひ罩諧殺咀畹偷?。一般用海綿鈦細粉和合金粉末混合在一起,經壓制和燒結,其密度接近全密度,且工藝簡單,成本低廉。BE法生產的部件的成本低且機械性能優良,近年來在汽車工業的應用明顯增多。PA法已應用于生產大型和復雜部件,如渦輪、制動器等,可大幅降低部件的生產成本。

3.3加工技術[7-12]

3.3.1旋壓技術

旋壓技術是一種車屑少、凈成型加工工藝,可生產鈦合金圓形、薄壁、空心部件。這種工藝可以近似地達到部件的直徑、壁厚、平直度、圓度和同心度等尺寸精度要求,且這種冷加工工藝可以提高材料的力學性能,同時細化顯微組織。尺寸精度通常遠遠高于熱成型工藝所能達到的精度。該工藝省去了幾個生產工序,減少了材料浪費,節約了大量開支,可顯著降低生產成本,提高經濟效益。

3.3.2近凈擠壓工藝

據美國Plymouth公司報道,該公司通過利用近凈擠壓工藝所得到的部件的外形尺寸和平直度與公差接近,比鍛件、鑄件或用板、棒生產所需的工序少且原料消耗少,此外,擠壓型材還可使機加及精加工成本降低。

3.3.3超塑性成形

超塑性成形技術具有降低成本,改善片狀金屬零件結構效能的潛力。將超塑性成形應用于鈦合金構件成形具有如下主要優點:在成形工序內可用低塑性鈦合金制成復雜形狀的構件,而且總變形量或局部變形量很大;由于合金變形阻力大大減小,成形過程的動力參數值(應力、壓力)也減小,因此可以廣泛采用非壓床模壓成形;由于能很好地貼模成形,而且沒有回彈,因此,成形的構件精度很高。此外,它還可以一次成型,省掉了機械加工、鉚焊等工序,達到節約原材料和降低成本的目的。

3.3.4激光快速成形技術

高性能金屬結構件激光熔化沉積技術,以金屬粉末(或絲材)為原料,通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積,直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成形”制造,是一種數字化、短周期、低成本、先進的“近凈成形”制造技術,與鍛壓-機械加工傳統制造技術相比,其材料利用率高(較鍛件可提高5倍以上),機加工量??;工序少,工藝簡單,生產制造成本低,生產制造周期短(可縮短2/3以上);無需零件毛坯制備,無需鍛壓模具加工等。

 3.3.5連鑄連軋

連鑄連軋可以降低能耗,提高生產效率和產品成材率,改善產品均勻性。日本研究人員對鈦合金的連鑄連軋進行了研究,通過對近α合金Ti-6242、近β合金Ti-10-2-3和β合金Ti-15-3研究表明,鈦具有優良的熱塑性和低的熱強度,高溫加工性能比鋼好,只要在Tβ以上溫度不發生彎曲變形,就可用傳統的連鑄連軋設備進行加工,這樣就可大幅降低鈦產品的生產成本。

3.4精密鑄造技術

精密鑄造可以實現鑄件尺寸精確、表面光潔,提高了材料利用率,免去了大量的機械加工和焊接工序,可以大幅降低生產成本。

4  低成本鈦合金材料的研制[13-22]

4.1 日本

日本在低成本鈦合金研發方面取得了很大進展。如利用普通金屬如Fe、Si、AlSn及間隙元素O、N、H代替高成本稀有金屬如V、Mo、Zr、NbTa,用相對低成本金屬如Cu、CrMn作為設計低成本鈦合金元素等??⒘?/FONT>Ti-Fe-O-N系合金和Ti-Fe系合金。Ti-Fe-O-N系合金采用氧元素和氮元素代替Ti-6Al-4V合金的鋁元素,鐵元素代替Ti-6Al-4V合金的釩元素,該合金不僅所用的合金元素廉價,而且可加工性良好,成本大大低于Ti-6Al-4V。此外,還開發了低成本β型鈦合金Ti-13Cr-1Fe-3AlTi-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al。

日本還研制了低成本耐蝕合金Ti-15Mo-1FeTi-10Mo-xFe(x=1,3,5),代替傳統的、價格昂貴的耐腐蝕合金如Ti-Pd。

4.2 美國

美國Timet開發了一種新型的裝甲用的α-β鈦合金Ti-5Al-3V-0.6Fe-0.17O2,即Timetal CL4,其沖擊韌性和力學性能與Ti-64類似,而制造成本降低,生產利潤提高。降低成本的途徑是利用了Ti-64車屑,添加元素鐵和鋁作為添加劑,減少了中間合金和海綿鈦用量。試驗結果表明,該合金的性能已超過了4級裝甲板要求且成形性較好。該公司還開發了兩種汽車用的低成本合金:Timetal-LCBTi-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)和Timetal-62STi-6Al-2Fe-0.1Si)。前者采用廉價的Fe-Mo中間合金添加Fe元素,代替價格昂貴的V元素,鑄錠成本低于其它的β鈦合金,該合金具有優異的加工性能,是汽車零件和彈簧等部件實現輕量化的理想材料。后者采用較為低廉的Fe元素取代Ti-6Al-4V合金中的V,其生產成本較Ti-6Al-4V合金降低了15%-20%,已在氣門座圈的生產中成功代替成本高、剛度較低的Ti-6Al-4V合金。

此外,美國的Allegheny 技術公司還研制了一種用于裝甲板或軍用車輛部件的低成本鈦合金ATI 425Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O2)。該合金的強度比退火態的Ti-64好,更容易加工成薄板、帶卷和管材等。

目前,美國研究人員正在努力開發和改進一種具有較高強度和剛度以及低密度的新型鈦合金—Ti-B合金。這種合金在加工過程中大幅減少或省去了鑄錠開坯、β鐓拔等工序,且可采用旋壓、軋制和超塑成形等技術生產,因而可以大幅降低鈦產品的制造成本。

4.3 中國

低成本鈦合金的研制最近幾年在中國受到了重視。目前研制的低成本鈦合金有近α型的Ti8LC和近β型Ti12LC鈦合金。Ti12LC合金由于采用低廉的Fe-Mo中間合金取代昂貴的V和Zr等合金元素,其原料成本與TC11相比降低10%以上,且性能優于TC11合金。北京航空材料研究院也研發了一種用于航空領域的Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本鈦合金。此外,寶鈦集團有限公司研制開發的體育用品用的低成本鈦合金BTi-341、Ti-3111和BT-31已批量生產且已成功用于高爾夫球頭的制造,取得了顯著的經濟效益。

5 結語

降低鈦的生產成本是鈦生產商和用戶共同追求的目標,也是目前鈦研究和開發的一個重點方向。美國和日本在鈦產品低成本化方面的投入較大,成績顯著。我國作為世界鈦產業大國之一,有必要加強這方面的投入,大力開發和研制具有自主知識產權的新工藝、新技術,降低鈦產品成本,為擴大鈦及其合金的應用領域打下堅實的基礎,從而增加人們對鈦的親近感,促進鈦的需求不斷增長。

 

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