“鈦”強了！耐腐蝕的鈦合金值得深度了解一下
2024-01-25 16:22:07
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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鈦是重要的結構金屬之一，地殼中儲量豐富，其含量占地殼質量的0.61%，在所有元素中含量居第十位。鈦性能優異，具有較高的比強度、低密度、優異的生物相容性和耐腐蝕性，被譽為“戰略金屬”、“第三金屬”及“海洋金屬”，是極具發展前景的結構材料，廣泛應用于航空航天、海洋工程、汽車工藝、醫療設備等領域。
(1) 熔點高，比鐵、鎳都要高，作為耐熱材料有很大的潛力，鈦的熱膨脹系數較小，高溫條件下或熱加工過程中產生較小的熱應力；(2) 密度小，為4.51 g/cm3，約為鋼的60%、銅的50%、鋁的1.8倍。
(3) 易加工成形，且具有優異的耐腐蝕性能，屈強比較高，使得鈦和鈦合金冷變形成形時回彈性大，不易成形和矯直。
鈦的材料強度和加工難易很大程度上取決于鈦的純度，純度越高，加工越容易，但強度越低。在鈦中加入其他元素制成鈦合金可獲得更佳的性能。根據純度及添加元素不同，鈦及鈦合金又具體可分為工業純鈦，α鈦合金、β鈦合金及α+β鈦合金。其中α+β是雙相合金，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。α+β鈦合金力學性能變化范圍較寬，可適應各種用途，約占航空工業使用的鈦合金70%以上。目前國內外應用最廣泛的α+β鈦合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al-4V，即TC4合金。
全球鈦材主要應用于航空及工業領域，我國鈦材在航空航天領域應用仍有較大提升空間。根據華經產業研究院的統計數據顯示，2019年全球鈦材下游應用集中于航空（42%）及工業（38%）領域。根據中國有色金屬工業協會的數據，我國2022年鈦加工材下游則主要應用于化工，占比50%，航空航天領域應用占比僅為23%，可見我國鈦材在航空航天領域的應用仍有較大的提升空間。
我國鈦材及上游海綿鈦產量持續增長。根據美國地質調查局，我國海綿鈦（鈦加工材上游重要原材料）產量穩步增長，占全球產量比例不斷提升，2022年全球海綿鈦產量26萬噸，我國海綿鈦產量15萬噸，占比57.69%。根據中國金屬通報，我國鈦加工材產量由2000年的0.22萬噸提升至2022年的15.27萬噸，產量CAGR為21.2%。鈦合金可滿足3C電子減重、堅固、耐磨等多重需求。鈦合金比強度高、密度小、耐腐蝕及生物兼容性高，用于3C電子可提升其堅固耐用性能同時具備輕量化屬性。目前已有部分機型及穿戴設備在邊框、背板、鉸鏈等使用鈦合金，如IPhone 15pro系列、AppleWatch Ultra、小米15pro鈦系列、三星Watch 5pro、榮耀Magic V2折疊屏等。（1）堅固、耐用兼顧減重：以IPhone 15Pro系列為例，其所使用的TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金為α+β型鈦合金，TC4鈦合金也是目前使用量最大的鈦合金，約占鈦合金總產量的50%以上，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性，廣泛應用于火箭殼體和航天器等航空航天領域，故保證了產品的堅固耐用程度。同時由于添加了鋁，進一步減小合金密度，使得產品重量變輕。通過對比IPhone 15Pro與IPhone 13/14Pro（使用不銹鋼邊框）系列，15Pro重量為187 g，13/14Pro重量分別為203和206 g。鈦合金中框可在提升產品堅固程度的同時減輕機身重量。（2）良好生物相容性：部分金屬元素容易與人體汗液中的鹽離子反應，使得金屬元素更加活潑（離子化），滲透入皮膚后引發金屬過敏的成分，常見易引發金屬過敏的元素有鎳、鈷、鉻。鈦合金與人體組織和血液相容性好，為親生物金屬，可在醫學上以鈦制成人造骨骼植入體內，用鈦合金制作產品外殼可避免金屬過敏。（3）美觀，不留指紋：鈦合金硬度高，熱形變小，耐腐蝕，且為親生物金屬，故而保證手機或手表外殼不易變形、劃傷、磕碰與褪色，不留指紋，增強產品美觀度。
鈦合金零件的制備工藝可分為CNC及3D打印等途徑，過去傳統的CNC切削磨削由于成品率低、刀具磨損嚴重等原因制作成本較高，也是影響鈦合金滲透率提升的核心原因之一。隨著技術迭代，CNC切削磨削成型率不斷提升，工藝成熟同時保證精度，為當前鈦合金主流加工方式。此外，3D打印技術以縮短交期、降低成本、成形復雜結構零件為目的，可一次性完成傳統構件鑄、鍛、焊、機加工等多工序制造方案，在鈦合金鑄件生產過程中具有顯著技術優勢。但是3D打印仍需要用機械加工進行表面處理（研磨、拋光等)。
通過機床和刀具對鈦合金進行切削、銑削、車削等操作，將其加工成所需形狀和尺寸的工件。機械加工是TC4鈦合金加工中最常見的方法，具有加工精度高、工件表面質量好等優點。但由于TC4鈦合金的高硬度和難切削性，機械加工時需要選用合適的刀具材料和切削參數，以確保加工質量和效率。
? 優點：工藝成熟、精度高、隨加工良率的提升未來成本將持續下降；? 缺點：刀片磨損成本高，材料利用率低，工藝及生產周期較長等；? 改進方向：以提升涂層技術、使用硬質合金刀片等技術改進良率。
3D打印技術又稱增材制造技術（AM），屬于一種快速成型技術。3D打印的最大優勢在于可以從原料直接自由制造復雜零件的能力，無需涉及諸如擠壓、鍛造、鑄造和二次加工等傳統制造方法即可獲得所需的形狀，且原料的利用率近100%。
目前，國內外常用的鈦合金3D打印方法主要有以下幾種：根據熱源的不同可分為以激光為熱源的激光選區燒結成形技術（SLS）、激光選區熔化成形技術（SLM）和激光近凈成形技術（LSF）；以電子束為熱源的電子束選區熔化成形技術（EBSM）和電子束熔絲沉積成形技術（EBF）。
根據對比，EBSM技術或是未來最具發展前景的鈦合金3D打印技術，原因如下：
（1）EBSM具有與SLM技術相當的成形精度、表面質量以及良好的力學性能，而且也克服了SLM技術不能成形大尺寸零件的缺點；
（2）整個成形過程均在真空環境下進行，有效防止成形過程中C、N、O元素對材料的污染；
（3）采用功率更大的電子束代替激光束，不但加快成形效率，而且降低生產成本。
以手機中框為例，我們來測算一下鈦合金未來的需求量。目前，鈦合金已實現批量化應用于手機中框（如IPhone 15Pro），且目前中框鈦合金用量在3C產品中最大（單臺手機中框所需消耗鈦合金坯料約80 g），故我們以手機中框為例測算2027年所需鈦合金及其市場規模，主要假設有：（1）假設智能手機出貨量保持小幅平穩增長，2025-2027年的年均增速為2%；其中高端手機滲透率、高端手機鈦合金中框滲透率持續提升；（2）單臺手機中框所需鈦合金坯料為80g，且主要采用TC4合金，TC4合金均價保持20萬元/噸。以此測算可得出，2027年手機中框鈦合金需求量約1.4萬噸，對應市場規模為28億元。
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