国内外低成本钛产品生产技术概述

李献军        冯军宁

(宝钛集团有限公司  陕西 宝鸡 721014

摘要:钛具有比强度高、耐腐蚀、无磁、超导、形状记忆、生物相容性好等优点,特别适合作为结构材料和特种材料使用,但与不锈钢、铜、镍等材料相比,钛材的价格明显偏高,这极大地影响了钛在一般工业的推广应用。降低钛产品成本一直是钛业内人士追逐的目标,也是进一步扩大钛应用的重要条件。本文概述了近年来国内外低成本钛产品的生产技术,包括金属钛提取技术、熔炼、粉末冶金、加工技术、精密铸造技术、低成本钛合金材料的研制等,旨在拓展钛的新应用市场。

关键词:低成本;钛;生产技术

1  引言

钛具有优异的性能,被誉为“太空金属”、“海洋金属”和“智慧金属”等,特别适合作为结构材料和特种材料使用。但由于钛的制造成本和加工成本较高,导致钛产品的价格明显偏高,这极大地影响了钛在一般工业的推广和应用。

降低钛产品成本一直是国内外钛业内人士追逐的目标。美国和日本在降低钛产品成本的研究领域一直比较活跃。如美国军队为了实现陆地作战车辆、兵器的高性能化以及轻量化而积极使用钛材,并积极研发降低钛材成本的各种途径。为了降低钛产品的成本,美国在新的生产方法、加工技术的开发方面进行了大量的研究工作,日本则在专门用途的低成本合金研究中投入较大。中国最近几年也十分重视低成本钛合金的研制工作并取得了很大进展。

2  钛提取技术[1-2]

钛的价格较高的主要原因是冶炼成本过高,因此,降低钛产品成本的关键是降低金属钛的生产成本。传统的克劳尔法和亨特法生产金属钛的工序复杂,能耗较大,成本较高。多年来人们一直努力开发新的低成本生产工艺以取代传统工艺。目前正在研究、开发或改进的钛的生产工艺很多,但适合大规模工业化生产的工艺并不多。其中最有前途的工艺为FFC剑桥工艺,该工艺在降低钛成本上具有独创性和实用价值,是最有希望成为替代传统海绵钛生产方法的工艺。该工艺的突出特点是它以TiO2代替TiCl4做初级原料,简化工序,降低成本,具有能耗低、易实现自动化、连续生产的优势。

美国国际钛粉末公司(ITP)研制且准备商业化生产的阿姆斯壮法具有连续性的优点,可在低温下生产,不需要传统的净化过程。该工艺是一种一步连续生产高纯钛金属和合金粉末的低成本技术。可生产纯钛金属及预合金化的钛金属。ITP法结合现有的和开发的粉末处理技术,将减少最终部件生产成本达50%

除了上述方法外,还有MER复合阳极法(MER公司,TiO2阳极还原)、SRI法(SRI公司,TiCl4流动层氢还原)、等离子淬火法(TiCl4等离子氢还原)等方法正在进行研究和开发之中。

3  钛产品生产技术

3.1熔炼技术

冷炉床熔炼(CHM)与传统的真空自耗电弧熔炼(VAR)相比,在降低钛熔炼产品成本方面具有装备和工艺优势,如能大量回收残料,甚至可以100%使用残料作为原料;对于某些特殊用途,可一次熔炼成锭;还可以生产扁锭、空心锭,减少板材和管材加工工序。如美国钛生产企业采用冷炉床单次熔炼技术,省去了VAR法的电极压制、一次熔炼、铸锭开坯等工序,生产工序大大精简,这样可以提高成品率,降低钛产品生产成本。目前已经在紧固件、弹簧等产品上得到了应用。

3.2粉末冶金[3-6]

钛粉末冶金技术(P/M)是一种高生产率、低成本生产近净成形部件方法,部件尺寸可严格控制,且部件稳定性和再生产性好,在满足质量标准的同时可以节省生产时间,降低成本。美国学者F.H.Froes把钛的粉末冶金归纳为粉末注射成形(PIM)、喷射成形、近终形成形(混合元素和预合金)等。PIM是一种基于塑料的注射成形技术而发展起来的一门技术。它适合小而形状复杂的零件的生产。用该法生产的钛和钛合金的性能完全达到了相同成分的熔炼锻造材料的水平,但成本大大降低。如美国犹他大学研发的工艺可降低钛产品成本约90%,同时还降低了能源消耗。与此同时,人们对喷射成形的研究也比较活跃。用喷射粉末超声流可制成整体的成形件和喷涂件。近终形成形可分为混合元素法(BE)和预合金粉法(PA)两种类型进行生产。混合元素法是钛粉末冶金工艺中成本最低的。一般用海绵钛细粉和合金粉末混合在一起,经压制和烧结,其密度接近全密度,且工艺简单,成本低廉。BE法生产的部件的成本低且机械性能优良,近年来在汽车工业的应用明显增多。PA法已应用于生产大型和复杂部件,如涡轮、制动器等,可大幅降低部件的生产成本。

3.3加工技术[7-12]

3.3.1旋压技术

旋压技术是一种车屑少、净成型加工工艺,可生产钛合金圆形、薄壁、空心部件。这种工艺可以近似地达到部件的直径壁厚、平直度圆度和同心度等尺寸精度要求,且这种冷加工工艺可以提高材料的力学性能,同时细化显微组织。尺寸精度通常远远高于热成型工艺所能达到的精度。该工艺省去了几个生产工序,减少了材料浪费,节约了大量开支,可显著降低生产成本,提高经济效益

3.3.2近净挤压工艺

据美国Plymouth公司报道,该公司通过利用近净挤压工艺所得到的部件的外形尺寸和平直度与公差接近,比锻件、铸件或用板、棒生产所需的工序少且原料消耗少,此外,挤压型材还可使机加及精加工成本降低。

3.3.3超塑性成形

超塑性成形技术具有降低成本,改善片状金属零件结构效能的潜力。将超塑性成形应用于钛合金构件成形具有如下主要优点:在成形工序内可用低塑性钛合金制成复杂形状的构件,而且总变形量或局部变形量很大;由于合金变形阻力大大减小,成形过程的动力参数值(应力、压力)也减小,因此可以广泛采用非压床模压成形;由于能很好地贴模成形,而且没有回弹,因此,成形的构件精度很高。此外,它还可以一次成型,省掉了机械加工、铆焊等工序,达到节约原材料和降低成本的目的。

3.3.4激光快速成形技术

高性能金属结构件激光熔化沉积技术,以金属粉末(或丝材)为原料,通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积,直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造,是一种数字化、短周期、低成本、先进的“近净成形”制造技术,与锻压-机械加工传统制造技术相比,其材料利用率高(较锻件可提高5倍以上),机加工量小;工序少,工艺简单,生产制造成本低,生产制造周期短(可缩短2/3以上);无需零件毛坯制备,无需锻压模具加工等。

 3.3.5连铸连轧

连铸连轧可以降低能耗,提高生产效率和产品成材率,改善产品均匀性。日本研究人员对钛合金的连铸连轧进行了研究,通过对近α合金Ti-6242、近β合金Ti-10-2-3和β合金Ti-15-3研究表明,钛具有优良的热塑性和低的热强度,高温加工性能比钢好,只要在Tβ以上温度不发生弯曲变形,就可用传统的连铸连轧设备进行加工,这样就可大幅降低钛产品的生产成本。

3.4精密铸造技术

精密铸造可以实现铸件尺寸精确、表面光洁,提高了材料利用率,免去了大量的机械加工和焊接工序,可以大幅降低生产成本。

4  低成本钛合金材料的研制[13-22]

4.1 日本

日本在低成本钛合金研发方面取得了很大进展。如利用普通金属如FeSiAlSn及间隙元素ONH代替高成本稀有金属如VMoZrNbTa,用相对低成本金属如CuCrMn作为设计低成本钛合金元素等。开发了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合金的铝元素,铁元素代替Ti-6Al-4V合金的钒元素,该合金不仅所用的合金元素廉价,而且可加工性良好,成本大大低于Ti-6Al-4V。此外,还开发了低成本β型钛合金Ti-13Cr-1Fe-3AlTi-4.3Fe-7.1Cr-3.0Al

日本还研制了低成本耐蚀合金Ti-15Mo-1FeTi-10Mo-xFe(x=1,3,5),代替传统的、价格昂贵的耐腐蚀合金如Ti-Pd

4.2 美国

美国Timet开发了一种新型的装甲用的α-β钛合金Ti-5Al-3V-0.6Fe-0.17O2,即Timetal CL4,其冲击韧性和力学性能与Ti-64类似,而制造成本降低,生产利润提高。降低成本的途径是利用了Ti-64车屑,添加元素铁和铝作为添加剂,减少了中间合金和海绵钛用量。试验结果表明,该合金的性能已超过了4级装甲板要求且成形性较好。该公司还开发了两种汽车用的低成本合金:Timetal-LCBTi-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)和Timetal-62STi-6Al-2Fe-0.1Si)。前者采用廉价的Fe-Mo中间合金添加Fe元素,代替价格昂贵的V元素,铸锭成本低于其它的β钛合金,该合金具有优异的加工性能,是汽车零件和弹簧等部件实现轻量化的理想材料。后者采用较为低廉的Fe元素取代Ti-6Al-4V合金中的V,其生产成本较Ti-6Al-4V合金降低了15%-20%,已在气门座圈的生产中成功代替成本高、刚度较低的Ti-6Al-4V合金。

此外,美国的Allegheny 技术公司还研制了一种用于装甲板或军用车辆部件的低成本钛合金ATI 425Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O2)。该合金的强度比退火态的Ti-64好,更容易加工成薄板、带卷和管材等。

目前,美国研究人员正在努力开发和改进一种具有较高强度和刚度以及低密度的新型钛合金—Ti-B合金。这种合金在加工过程中大幅减少或省去了铸锭开坯、β镦拔等工序,且可采用旋压、轧制和超塑成形等技术生产,因而可以大幅降低钛产品的制造成本。

4.3 中国

低成本钛合金的研制最近几年在中国受到了重视。目前研制的低成本钛合金有近α型的Ti8LC和近β型Ti12LC钛合金。Ti12LC合金由于采用低廉的Fe-Mo中间合金取代昂贵的V和Zr等合金元素,其原料成本与TC11相比降低10%以上,且性能优于TC11合金。北京航空材料研究院也研发了一种用于航空领域的Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本钛合金。此外,宝钛集团有限公司研制开发的体育用品用的低成本钛合金BTi-341Ti-3111和BT-31已批量生产且已成功用于高尔夫球头的制造,取得了显著的经济效益。

5 结语

降低钛的生产成本是钛生产商和用户共同追求的目标,也是目前钛研究和开发的一个重点方向。美国和日本在钛产品低成本化方面的投入较大,成绩显著。我国作为世界钛产业大国之一,有必要加强这方面的投入,大力开发和研制具有自主知识产权的新工艺、新技术,降低钛产品成本,为扩大钛及其合金的应用领域打下坚实的基础,从而增加人们对钛的亲近感,促进钛的需求不断增长。

 

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