编号：YJHY00002

篇名：降低钛材成本的途径有哪些

作者： 杨遇春

关键词： 钛

机构： 北京有色金属研究总院

原文： 钛是一种低密度、高比强（度）、优异的耐高温、耐蚀性能的材料，在目前美英联军发动的对伊战争中发挥了独特的作用。F－14、F－15、F－18大黄蜂、F－117夜鹰、B－1轰炸机、B－2轰炸机内钛的应用比例依次为24％、27％、13％、25％、22％和26％。F－22战斗机的用钛量占飞机总重量的42％。SR－71黑鸟的机身几乎全由钛及钛合金构成MgCl2主战坦克，布雷德利战车每辆分别用钛1吨和0.5吨，榴弹炮每门用钛3吨。是钛创造了3马赫的飞行速度，增加了飞机、坦克的载弹量，实现了制空霸权。估计整个战争的投入量已超过万吨，付出了高昂的代价。 　　降低钛及钛材成本是民用推广的当务之急 　　钛除在不惜成本的军用中创造奇迹外，在化工冶金、能源电力、船舶汽车制造、建筑、文体用品中具有广阔的应用前景，但扩大民用市场的瓶颈是成本。 　　钛的提取、熔炼、加工十分困难。钛锭的生产成本约为同重量钢锭的30倍、铝锭的6倍，其中从矿石到镁还原制取海绵钛的成本约为制取同重量铁的20倍。目前每吨工业纯钛的成本约为7500~10000美元／吨，而航空航天用钛合金的生产，费用更大，一般每吨40000美元。因此降低成本主要是降低工业纯钛生产成本及钛及其合金的制造加工成本。 　　FFC剑桥法———降低海绵钛成本的革命 　　克洛尔镁还原法生产海绵钛工艺繁复、劳动强度大、生产过程长，最后需要真空蒸馏除去残留的镁和MgCl2,且不能连续作业，生产成本高。而采用电化学过程具有能耗低、易实现自动化，连续生产的优势，但由于技术问题未取得进展。近年来剑桥大学的弗雷、法辛和G•Z•陈三人没有走TiCl4熔盐电解的老路，而是开拓了一条在熔融氯化钙中将TiO2用电化学方法直接还原为钛的新路。这是一个固相的电解过程，将TiO2粉制成团粒，置入备有石墨阳极的CaCl2熔盐内，使TiO2阴极化，氧被电离熔入熔盐并在阳极排出，而纯钛则留在阴极上。所得FFC海绵钛经轻度破碎研磨，再经水洗即得到可供销售的钛粉。 　　FFC法的优点是原料为低成本的TiO2,不是费用高的TiCl4；氯化钙（CaCl2）便宜、无毒、易得到，生产用时为克洛尔法的1／5；混入其他相关金属氧化物有可能直接生产钛合金；所生产的高纯钛粉与钛合金粉，可通过粉末冶金工艺生产价格适中的近净成形件；特别是能实现连续生产，这将大大降低成本。但美中不足的是扩大生产规模尚需假以时日，估计还需要3－4年才能产业化。我国有关研究院所利用这段时间间隔急起直追，恰是争先进入钛的研发前沿的绝好机会。 　　预计到2010年该法将使提取钛的成本降低50％或50％以上。按全球钛的总产量5－6万吨计，每年有可能节约7.7亿美元的生产费用。 　　熔炼———降低成本的难点 　　海绵钛要进行真空电弧重熔，浇铸成钛锭才能进行变形处理和机械加工，制成最终的元件。电弧熔炼的缺点是必须进行二次熔炼甚至三次熔炼才能得到纯度和显微组织相宜的产品。因此出现了电子束冷炉膛熔炼（EBM）和等离子体冷炉膛熔炼两种替代方法，两法具有能保证质量、废钛屑可再生使用等优点，但设备投资高，如建造一台电子束炉投资高达4000万美元。因此，避开熔炼铸锭（一般占钛材总成本的15％）工序而代之以（熔模）精密铸造和粉末冶金等近净成形工艺就成为降低成本的另一条战线。 　　铸造———降低成本的工艺环节 　　通常金属铸件的力学（机械）性能低于锻件性能，但钛铸件的使用性能大体上与钛锻件相近，因而其铸造产品成为降低成本、优化工程性能的上佳选择。凝壳炉的应用和熔模精密铸造与金属造型（型壳）、陶瓷造型（型壳）工艺的发展为许多大型复杂的薄壁精密钛铸件缩短生产时间、降低成本展现了一定的空间。尤其是电脑辅助设计和电脑辅助机加工（CAD／CAM）以及过程数模化的应用明显提高了精密铸造的能力和质量。此外，快速成形（RP）技术与CAD／CAM相结合、冷坩埚感应熔炼与离心浇铸相结合都创造了提高铸件质量、降低成本、减少废料的效果。 　　粉末冶金———降低成本的重要途径 　　粉冶是减少机加工量、生产废料极少因而使成本明显降低的生产复杂近净成形件的另一条途径。以克洛尔或亨特法生产的海绵钛经机械粉碎制得的钛粉含有氯根，残余的氯盐在制品内形成孔隙，影响了致密度，使可焊性劣化，疲劳强度下降。为提高钛粉质量，俄罗斯开发了一种用氢化钙（CaH2）还原TiO2生产钛粉的方法，所得钛粉氯根含量极低，用元素混合法生产的Ti－6Al－4V粉最后制成的铸造制品性能与Ti－6Al－4V锻件相同，同时降低了成本。美国以洗净的残钛为原料通过氢化／脱氢（HDH）生产的钛粉，有可能大幅度降低钛粉的生产成本。应用钛粉通过激光成形以获得高度复杂的小批量钛制品是一项极为重要的发展，预计生产成本下降15％~30％，生产时间缩短75％。金属粉末注射成形是大批量生产钛粉冶制品的工艺，能以低成本生产小型复杂的零件。 　　传统粉冶技术也取得重大进展。元素混合法很可能成为生产钛粉冶制品成本最低的方法。由于使用氢化法钛粉，其烧结件不经热等静压可效密化到真密度超过99％，大大改善了性能，已用于生产汽车零件使之轻量化，在成本上能与普通零件竞争。 　　塑性加工———降低成本任重道远 　　熔铸的钛锭需采取锻造、轧制、挤压、拉伸等进行塑性加工，目前在锻造中已采用电脑和传感器，控制加热时间、应变率、降低锻造缺陷，其中超塑成形与扩散连结工艺有降低钛薄板航空航天结构件的潜力。但塑性加工占钛材生产成本的比例很大，美国Ti－6Al－4V板材的生产成本构成中，金红石原料（96％TiO2）占4％、TiCl4制造占9％、镁（或钠）还原生产海绵钛占25％、电弧熔炼（包括加母合金）15％、制造25mmTi－6Al－4v薄板材占47％。