“钛”强了！耐腐蚀的钛合金值得深度了解一下
2024-01-25 16:22:07
作者：腐蚀与防护 来源：腐蚀与防护
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钛是重要的结构金属之一，地壳中储量丰富，其含量占地壳质量的0.61%，在所有元素中含量居第十位。钛性能优异，具有较高的比强度、低密度、优异的生物相容性和耐腐蚀性，被誉为“战略金属”、“第三金属”及“海洋金属”，是极具发展前景的结构材料，广泛应用于航空航天、海洋工程、汽车工艺、医疗设备等领域。
(1) 熔点高，比铁、镍都要高，作为耐热材料有很大的潜力，钛的热膨胀系数较小，高温条件下或热加工过程中产生较小的热应力；(2) 密度小，为4.51 g/cm3，约为钢的60%、铜的50%、铝的1.8倍。
(3) 易加工成形，且具有优异的耐腐蚀性能，屈强比较高，使得钛和钛合金冷变形成形时回弹性大，不易成形和矫直。
钛的材料强度和加工难易很大程度上取决于钛的纯度，纯度越高，加工越容易，但强度越低。在钛中加入其他元素制成钛合金可获得更佳的性能。根据纯度及添加元素不同，钛及钛合金又具体可分为工业纯钛，α钛合金、β钛合金及α+β钛合金。其中α+β是双相合金，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70%以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al-4V，即TC4合金。
全球钛材主要应用于航空及工业领域，我国钛材在航空航天领域应用仍有较大提升空间。根据华经产业研究院的统计数据显示，2019年全球钛材下游应用集中于航空（42%）及工业（38%）领域。根据中国有色金属工业协会的数据，我国2022年钛加工材下游则主要应用于化工，占比50%，航空航天领域应用占比仅为23%，可见我国钛材在航空航天领域的应用仍有较大的提升空间。
我国钛材及上游海绵钛产量持续增长。根据美国地质调查局，我国海绵钛（钛加工材上游重要原材料）产量稳步增长，占全球产量比例不断提升，2022年全球海绵钛产量26万吨，我国海绵钛产量15万吨，占比57.69%。根据中国金属通报，我国钛加工材产量由2000年的0.22万吨提升至2022年的15.27万吨，产量CAGR为21.2%。钛合金可满足3C电子减重、坚固、耐磨等多重需求。钛合金比强度高、密度小、耐腐蚀及生物兼容性高，用于3C电子可提升其坚固耐用性能同时具备轻量化属性。目前已有部分机型及穿戴设备在边框、背板、铰链等使用钛合金，如IPhone 15pro系列、AppleWatch Ultra、小米15pro钛系列、三星Watch 5pro、荣耀Magic V2折叠屏等。（1）坚固、耐用兼顾减重：以IPhone 15Pro系列为例，其所使用的TC4（Ti-6Al-4V）钛合金为α+β型钛合金，TC4钛合金也是目前使用量最大的钛合金，约占钛合金总产量的50%以上，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性，广泛应用于火箭壳体和航天器等航空航天领域，故保证了产品的坚固耐用程度。同时由于添加了铝，进一步减小合金密度，使得产品重量变轻。通过对比IPhone 15Pro与IPhone 13/14Pro（使用不锈钢边框）系列，15Pro重量为187 g，13/14Pro重量分别为203和206 g。钛合金中框可在提升产品坚固程度的同时减轻机身重量。（2）良好生物相容性：部分金属元素容易与人体汗液中的盐离子反应，使得金属元素更加活泼（离子化），渗透入皮肤后引发金属过敏的成分，常见易引发金属过敏的元素有镍、钴、铬。钛合金与人体组织和血液相容性好，为亲生物金属，可在医学上以钛制成人造骨骼植入体内，用钛合金制作产品外壳可避免金属过敏。（3）美观，不留指纹：钛合金硬度高，热形变小，耐腐蚀，且为亲生物金属，故而保证手机或手表外壳不易变形、划伤、磕碰与褪色，不留指纹，增强产品美观度。
钛合金零件的制备工艺可分为CNC及3D打印等途径，过去传统的CNC切削磨削由于成品率低、刀具磨损严重等原因制作成本较高，也是影响钛合金渗透率提升的核心原因之一。随着技术迭代，CNC切削磨削成型率不断提升，工艺成熟同时保证精度，为当前钛合金主流加工方式。此外，3D打印技术以缩短交期、降低成本、成形复杂结构零件为目的，可一次性完成传统构件铸、锻、焊、机加工等多工序制造方案，在钛合金铸件生产过程中具有显著技术优势。但是3D打印仍需要用机械加工进行表面处理（研磨、抛光等)。
通过机床和刀具对钛合金进行切削、铣削、车削等操作，将其加工成所需形状和尺寸的工件。机械加工是TC4钛合金加工中最常见的方法，具有加工精度高、工件表面质量好等优点。但由于TC4钛合金的高硬度和难切削性，机械加工时需要选用合适的刀具材料和切削参数，以确保加工质量和效率。
✓ 优点：工艺成熟、精度高、随加工良率的提升未来成本将持续下降；✓ 缺点：刀片磨损成本高，材料利用率低，工艺及生产周期较长等；✓ 改进方向：以提升涂层技术、使用硬质合金刀片等技术改进良率。
3D打印技术又称增材制造技术（AM），属于一种快速成型技术。3D打印的最大优势在于可以从原料直接自由制造复杂零件的能力，无需涉及诸如挤压、锻造、铸造和二次加工等传统制造方法即可获得所需的形状，且原料的利用率近100%。
目前，国内外常用的钛合金3D打印方法主要有以下几种：根据热源的不同可分为以激光为热源的激光选区烧结成形技术（SLS）、激光选区熔化成形技术（SLM）和激光近净成形技术（LSF）；以电子束为热源的电子束选区熔化成形技术（EBSM）和电子束熔丝沉积成形技术（EBF）。
根据对比，EBSM技术或是未来最具发展前景的钛合金3D打印技术，原因如下：
（1）EBSM具有与SLM技术相当的成形精度、表面质量以及良好的力学性能，而且也克服了SLM技术不能成形大尺寸零件的缺点；
（2）整个成形过程均在真空环境下进行，有效防止成形过程中C、N、O元素对材料的污染；
（3）采用功率更大的电子束代替激光束，不但加快成形效率，而且降低生产成本。
以手机中框为例，我们来测算一下钛合金未来的需求量。目前，钛合金已实现批量化应用于手机中框（如IPhone 15Pro），且目前中框钛合金用量在3C产品中最大（单台手机中框所需消耗钛合金坯料约80 g），故我们以手机中框为例测算2027年所需钛合金及其市场规模，主要假设有：（1）假设智能手机出货量保持小幅平稳增长，2025-2027年的年均增速为2%；其中高端手机渗透率、高端手机钛合金中框渗透率持续提升；（2）单台手机中框所需钛合金坯料为80g，且主要采用TC4合金，TC4合金均价保持20万元/吨。以此测算可得出，2027年手机中框钛合金需求量约1.4万吨，对应市场规模为28亿元。
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