鈦及鈦合金材料經濟性及低成本方法論述

李獻民, 劉　立, 董　潔, 趙　普

(寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

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鈦及鈦合金材料經濟性及低成本方法論述

李獻民, 劉立, 董潔, 趙普

(寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

李獻民

摘要：鈦及鈦合金材料因具有密度小、比強度高、韌性好、無磁性、耐腐蝕性好等優異的綜合性能,在航空、航天、艦船、核電等重要領域及石油、冶金、化工、電力、生物醫學等民用市場有著廣泛的應用。系統闡述了鈦及鈦合金材料的優越性能及廣泛應用，對比分析了近10年來海綿鈦、電解鎳、電解銅、不銹鋼等原材料價格變化趨勢及規律，分析了實現鈦及鈦合金低成本化新的加工方式。利用全壽命經濟性分析的方法，對不銹鋼、銅合金、鎳基合金、鈦及鈦合金在艦艇冷凝管道應用實例的對比分析及不同材料設備經濟綜合性分析，提出了在現有原材料價格、原料產量、加工成本、產品產量的條件下，應大力推廣應用鈦及鈦合金材料。

關鍵詞：鈦及鈦合金；市場應用；經濟性分析；全壽命分析；低成本

1前言

鈦及鈦合金常被稱為“太空金屬”、“海洋金屬”和“戰略金屬”，它具有密度小、比強度高、韌性好、熱膨脹系數低、無磁性、耐腐蝕性和耐高溫性能好等優點，是優異的結構和功能材料[1-4]，已成為航空、航天飛行器等領域的關鍵結構材料，并在艦船、石油、化工、冶金、電力、生物醫學等領域獲得了越來越多的應用。

與相同領域中使用的不銹鋼、銅合金、鎳基合金等相比，長期以來，人們一直認為鈦及鈦合金并不具備成本優勢，因此延緩了鈦及鈦合金材料推廣應用的速度及范圍[5-6]。除了鈦材價格的影響因素外，鈦及鈦合金產量較小，也成為影響鈦材推廣使用原因。本文從鈦及鈦合金原材料價格、原材料產量、加工成本、鈦材加工量等方面，與其他選材進行經濟性對比分析，結果顯示鈦及鈦合金材料具有絕對的應用優勢。

2鈦及鈦合金材料經濟性分析

2.1鈦合金與其它材料原料價格變化分析

圖1～3對比分析近10年的海綿鈦、電解鎳、電解銅、316L不銹鋼原材料價格變化趨勢。

圖1　近10年海綿鈦價格走勢圖Fig.1 Titanium sponge price nearly 10 years

圖2　近10年多種金屬價格走勢圖Fig.2　Some kinds of materials prices nearly 10 years

圖3　近10年多種金屬原材料價格走勢圖Fig.3　Some kinds of raw materials prices nearly 10 years

海綿鈦價格近10年來波動較大，2005年海綿鈦價位最高時達到198 000￥/t，之后幾年海綿鈦價格持續下跌，2014年海綿鈦價格降至45 000￥/t，與最高價位相差將近4倍,創歷史最低位。

從圖2中可以看出，電解鎳的價格在近10年內波動較大，2004年到2007年，電解鎳價格從132 000￥/t上漲至300 000￥/t，2007年以后其價格開始下降，2014年跌至146 000￥/t；電解銅價格從2004年至2006年持續上漲，最高價位達到72 330￥/t，2006年以后價格持續下降，2014年穩定在43 000￥/t左右；316L不銹鋼價格從2005年66 800￥/t上漲至2007年的73 100￥/t，2007年以后價格逐漸下降，到2014年跌至28 100￥/t，跌去了原價格的3/5左右，跌幅較大。

從圖3近10年的原材料價格趨勢可以看出，目前，海綿鈦價格與電解銅價格相當，但遠遠低于電解鎳，而高于不繡鋼材料的價格，但綜合分析鈦及鈦合金在航空、航天等領域的應用，鈦及鈦合金的高比強度、耐腐蝕、耐高溫等性能優于不銹鋼，在目前的市場情況下，海綿鈦價格優勢明顯，這就為擴大鈦合金材料的應用提供了保障。

從圖4的數據可以看出，2000年我國海綿鈦產量為1 905 t，2014年中國海綿鈦實際產量88 000 t左右，14年間我國海綿鈦產量增加了46倍，2014年我國海綿鈦實際產能超過15萬噸。

從圖5的數據可以看出,2001年，我國的鈦加工材產量為4 012 t，2014年產量達到49 660 t，13年間，我國鈦加工材產量增加了12倍；我國最大的鈦材生產單位寶鈦集團2014年產量達到18 115 t。

圖4　近年來中國海綿鈦產量統計圖Fig.4 Statistical figure of titanium sponge production in China

圖5　近年來全球、中國、寶鈦集團鈦加工材產量統計圖Fig.5　Statistical figure of titanium material production of theworld,China and Baoti group

綜上所述，從近15年我國海綿鈦產量趨勢可以看出，我國海綿鈦產量快速提高；同時從全球、我國鈦加工材產量的發展趨勢來看，鈦合金加工材的產量也得到快速的提高，產量的快速提高和原材料價格的不斷降低，這都為鈦合金材料的擴大應用提供了前提條件。

2.2鈦合金材料應用經濟分析

隨著鈦材冶煉加工技術的快速發展，海綿鈦價格和鈦材價格已經處于合理的價位，以艦船用鈦合金為例，鈦合金管道系統與傳統材料制造的管道相比應用優勢明顯。俄羅斯研究了不同材料制造的管道系統，這些材料通常用于容器和船體表面，研究表明，傳統材料(碳鋼、不銹鋼、銅合金)的服役期限大約是2～10 a，服役期內必須進行維修，甚至是更換，特別是在高速推動作用的環境下，各種接頭都會產生局部腐蝕缺陷[7-9]。鈦合金只需要一次投入，與艦船同壽命，使用過程只需簡單維護。

實際投資時應考慮全壽命的投資而不是只考慮一次性投資，全壽命內總投資包括一次性投資、換裝或大修費用和日常維護費用的總和。

實際考慮的因素還包括：使用壽命、停產時間對產品質量的影響。如果將30年作為全壽命周期，考慮換裝次數，那么全壽命周期內的總投資，還應包括換裝次數與每次換裝投資的乘積。

投資成本可以按表示如下公式:

Q=Q1+nQ2+qc

Q─設備服役期內總投資；

Q1─設備一次性投資；

n─在壽命年限內的維修次數；

Q2─設備每次維修費；

qc─日常和其他維護費用。

如設備使用N年，則轉化為年(化)平均投資費用:

q─年平均投資；

q1─一次性年平均投資；

q2─平均年維修費用；

qc─日常和其他維護費用。

對表1中列舉的管材費用進行全壽命分析比較，同時將表2中的鎳基合金Inconel625和316L不銹鋼材質管材替代表1中的TA2管材應用進行分析，不考慮冷凝器每年維修費用、泄露換管費用、設備加工費等。

表1　俄羅斯某艦艇舷外側水冷凝管道系統的比較數據[8]

表2　不同材料設備經濟綜合性分析[9]

Note：Prices and weight ratio in this table are calculated as basic number in those of 3161 stainless steel

按實際運行計算(單根管材)，得出以下計算結果

Q1 Cu=7.6×104￥,Q1 Ti=3.4×104￥,

Q1Inconel625=2.81×105￥,Q1 316L=1.6×104￥

= 0.957×104￥/a

= 0.112×104￥/a

= 0.936×104￥/a

= 0.797×104￥/a

由計算結果看出，純鈦TA2使用30年時仍是一次性投資費用，鈦合金年平均投資為0.112萬元/年，銅合金年平均投資為0.957萬元/年；同時銅合金管道的平均服役期是8年，而鈦合金的平均服役期是30年。如果按30年計算，銅合金需要更換接近4次，按上述價格比和計算方法，全壽命分析后得出銅的投入是鈦的11.39倍。 Inconel625鎳基合金年平均投資為0.936萬元/年，316L不銹鋼年平均投資為0.797萬元/年,316L不銹鋼的海水運行期只有2～5年;和純鈦TA2的使用年限相同鎳基合金海水運行期也為30年，但是鎳基合金價格昂貴，并且重量較重。如果按30年計算，則全壽命內考慮鈦合金經濟性最高。

3鈦及鈦合金降低成本方法分析

海綿鈦的價格目前每噸5萬元左右，已達到歷史低位,甚至已低于成本價格。鈦材的價格主要由原料價格(海綿鈦、合金)、真空熔煉和加工成本構成。純鈦加工材的價格大約在每噸10萬元左右，原料與熔煉加工構成比例大約在1∶1左右, 對于售價在每噸15～30萬元的鈦合金來說,比例在1∶1.5～5或更多。從上述的分析可以看出，主要可以通過降低原材料制備成本、真空熔煉和加工成本的手段，來實現鈦及鈦合金材料成本的降低。

研發高綜合性能、低成本的鈦合金，也成為行業研究的熱點。目前主要集中在通過原料制備、合金熔煉技術、加工技術及工藝方面取得突破，實現低成本鈦合金制造。通過海綿鈦制備、鑄錠制備的優化創新和高效軋制、近凈成形制備技術的應用，鈦合金成本最大可以降低60%，而且材料性能完全滿足實際需要，海綿鈦成本每降低1美元，加工材成本將會降低10%,同時,會使非航空航天市場增加100%。

3.1低成本海綿鈦制備技術

進入21世紀以來，我國海綿鈦產能迅速擴大。2013年我國海綿鈦產能已超過15萬噸，海綿鈦生產企業通過不斷優化工藝，實現了全流程海綿鈦生產,冶煉綜合能耗大幅度降低，還原蒸餾爐每噸電耗5 460～6 000 kw·h，海綿鈦每噸電耗已降至23 000～27 600 kw·h[10]，達到國際先進水平，這也為我國海綿鈦生產的成本降低打下了基礎。

從目前的研究開發現狀來看，采用TiO2直接電解生產鈦的新型熔鹽電解法，替代傳統工藝中制備TiCl4的過程，目前處于研制階段，離工業化生產還有較長的時間。

表3　國內先進海綿鈦生產企業主要經濟技術指標

3.2低成本鈦合金鑄錠制備技術

3.2.1低成本鈦合金的研制

針對鈦合金成本較高的狀況，國外研制了成本相對較低的鈦合金。近幾年國內低成本鈦合金研制也受到了高度重視，通過合金設計，添加廉價的合金元素(如Fe)代替昂貴的合金元素(如V)等，開發低成本鈦合金，以擴大鈦合金的應用[11-12]。該方法可行性強，應用低價合金元素達到降低成本的目的。美國Timet開發的以Fe作為合金元素的低成本高強鈦合金Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe(Timetal LCB)和汽車用鈦Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si(Timetal 62S)，Timetal LCB合金性能與Ti-1023相當，成本僅為Ti-6Al-4V的78%；Timetal 62S的性能優于Ti-6Al-4V，成本可降低15%～20%[13]。

國內西北有色金屬研究院開發出Ti12 LC(Ti-Al-Fe-Mo)和Ti8 LC(Ti-Al-Fe-Mo)兩種低成本鈦合金，室溫性能均優于Ti-6Al-4V；洛陽船舶材料研究所也研制出Ti-0.8Al-1.2Fe低成本鈦合金。目前國內外對低成本鈦合金的研究重點僅局限于采用廉價的Fe,O,N等元素代替昂貴合金元素如V等，綜合性能的控制局限于強度和加工性能，主要應用于汽車、體育等民用領域，在高端的航空航天等領域沒有得到很好地推廣。

3.2.2添加返回殘料制備技術

在鈦合金的生產過程中，由于熔煉、鍛造、熱軋、冷軋、管材擠壓過程中會產生一定量的殘料，通過將殘料清洗干凈，按牌號分類后，可以將塊料、屑料以捆綁電極的方式用真空自耗電弧爐(VAR)、電子束冷床爐(EBCHM)、等離子冷床爐(PACHM)熔煉的方式再次返回應用，殘料可回收率最大可達100%。

鈦殘料的價格只有海綿鈦價格的20%～30%，通過添加返回殘料的方式，不但大大降低了部分牌號鈦合金的生產成本，滿足市場及客戶的需求，也為殘料的二次利用提供了有效途徑。國內寶鈦集團有限公司應用其2 400 kw電子束冷床爐，添加殘料最大比例可達65%～70%，實現了材料低成本化制造。

添加返回料制備技術雖然取得了快速的發展，特別是在民用領域積累了豐富的經驗，但是，將回收料應用于重要用途的鈦材生產，還面臨較多的問題，如沒有統一回收處理標準和規范，目前可用于回收的合金牌號不多等。

3.2.3新型熔煉方式(電子束冷床爐、等離子冷床爐熔煉)

通過縮短制造流程也是低成本鈦合金制備的一個有效途徑，目前國際上生產大型優質鈦合金坯料使用的方法包括應用新型的電子束冷床爐、等離子冷床爐熔煉技術，單次冷床爐熔煉直接軋制技術[14]。

新型熔煉方式可以部分替代真空自耗電弧爐熔煉，從工藝流程上實現了短流程制造技術，省去了傳統真空自耗電弧爐熔煉的油壓機壓制電極、真空焊接等工序，同時還可以大量的回收殘料。冷床爐熔煉技術的應用不僅提高了鈦及鈦合金鑄錠的質量，而且降低了成本，特別是如果采用單一的冷床爐技術熔煉鈦合金，直接熔鑄出扁錠，加工成本可以節約10%～20%[15]。

目前，我國已建成和在建的電子束冷床爐較多，等離子冷床爐相對較少。在鈦合金熔煉過程中，電子束冷床爐在合金熔煉時合金元素揮發較難控制；而在等離子冷床爐熔煉中，合金元素揮發較易控制，適合合金的熔煉，但是氦氣是制約其發展的瓶頸，這些都是需要在生產工藝中亟待解決的問題。

3.3低成本高效、短流程鈦合金軋制技術

在鈦合金的生產工藝中，電子束冷床爐、等離子冷床爐熔煉可以澆鑄成扁錠，可以直接開坯，省去了鍛造開坯的環節，縮短了流程；隨著帶材生產技術的發展，使得鈦薄板和焊管產品的價格直線下降[15]。如熱連軋、冷連軋技術的快速發展，可以實現鈦帶的連續快速軋制，在線的連續退火、酸洗、拉彎矯直，縮短了鈦合金的生產流程，實現了高效生產，降低了能耗，提高了生產效率和產品成材率，降低了鈦合金的生產成本。

高效短流程軋制工藝，在鋼鐵企業應用非常成熟，鈦合金企業通過裝備升級也可以實現連續化生產，低成本制造。但是，鈦合金的短流程軋制積累的經驗還較少，需要在生產中繼續探索，不斷完善。

3.4近凈成形技術制備低成本鈦合金

3.4.1增材制造(3D打印)技術

增材制造(3D打印)技術，是利用快速原型制造的基本原理，以金屬粉末或絲材為原材料，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件的CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成型”制造，是一種具有變革性意義的數字化、短周期、低成本、先進“近終成型”制造新技術[16-18]。

增材制造技術作為一種新型的快速制造技術，有著廣泛的應用前景，目前在航空、航天等領域部分零部件的制造已經使用到了該技術，特別是在大型復雜結構件的制造方面，制造周期短、成材率高、成本低，成本降低可達到50%。

目前，對于增材制造技術研究較多，但是，在高性能制粉技術、制造工藝、大型設備的研發、技術標準方面仍存在一些需要解決的問題。

3.4.2EPS消失模殼型鑄造技術

鈦及鈦合金精密鑄造技術是一種先進的鑄件生產方法，其中鈦及鈦合金EPS(Expanded Polystyrene)消失模殼型鑄造技術,會降低鈦及鈦合金鑄件的生產成本，簡化工序，縮短生產周期。提高鑄造精度、尺寸一致性、表面質量，改善制模的操作環境，使得鑄造模擬更加易于實現，可以滿足市場上對大型、薄壁、復雜、整體鈦鑄件的鑄造要求，為鈦鑄件產業提供了更為廣闊的市場前景。比如，大型薄壁精密鑄造使鈦鑄件的性能接近鍛件且成本降低約50%。

EPS消失模殼型鑄造技術作為一種高效的鑄造技術，無論從工藝流程、生產成本、產品質量等方面來看，都是一種具有很大優勢的新型鑄造技術，可以實現低成本制造。但是，鈦合金的消失模殼型鑄造目前還存在表面污染層的問題，仍需要進一步的研究解決。

3.4.3金屬粉末注射成型技術

金屬粉末注射成型技術(MIM)是將注射成型工藝和粉末冶金結合的工藝，MIM作為一種近凈成形技術，可以制造高品質、高精度的復雜零件，被認為是目前最具優勢的成形技術之一[19]。

利用金屬粉末注射成型技術，可以制造復雜零件；制品的各部位致密化程度高，即使是固相燒結，相對密度可達95%以上，性能可與鍛造材料相媲美；尺寸精度高，可以最大限度的制得最終形狀的零件，且一般不需要后續的機加工和磨削，金屬的利用率幾乎可以達到100%，是降低鈦合金零部件成本的一個重要途徑。

MIM技術作為粉末冶金新技術，利用其生產的產品廣泛應用于汽車零部件、機械工程零件、摩托車零件的制造，其產品性能高、生產流程短，是一種可行的低成本制造技術[20]。

4結論

鈦及鈦合金的一次性投資已經低于銅合金，僅是不銹鋼的2～5倍；從全壽命的角度考慮，其投資成本低于不銹鋼、銅合金、鎳基合金等金屬材料；隨著海綿鈦產量和鈦合金加工材產量的快速增加，充裕的產能產量和較低的價格優勢，為鈦合金的普及應用提供了強有力的保障。

通過對海綿鈦制備、鑄錠制備的優化創新和高效軋制、近凈成形等制備技術應用，鈦合金成本有了較大幅度的降低，成本可以降低10%～30%；同時實現了鈦合金低成本生產，其材料性同樣能完全滿足實際需要。所以，在現有的原材料生產、加工產量、制備工藝條件下，鈦及鈦合金的普及應用已經具備了充足的條件，應大力推廣鈦合金材料。

參考文獻References

[1]Wang Hao(王鎬)，Zhu Jianwen(祝建雯)，He Yu(何瑜)，etal.鈦在艦船領域的應用現狀及展望[J].TitaniumIndustryProgress(鈦工業進展)，2003(6)：42-44.

[2]Yang Guanjun(楊冠軍)，Zhao Yongqing(趙永慶).鈦合金研究、加工與應用的新進展[J].MaterialsReview(材料導報)，2001，15(10)：19-21.

[3]Li Xianjun(李獻軍)，Wang Hao(王鎬)，Ma Zhongxian(馬忠賢).鈦在艦船領域的應用及前景[J].WorldNonferrousMetal(世界有色金屬)，2013(8)：24-27

[4]Sun Y, Zeng W D ,Zhao Y Q,etal. Modeling Constitutive Relationship of Ti40 Alloy Using Artificial Neural Network[J].MaterialsandDesign,2011,32(3):1 537-1 541.

[5]Mao Xiaonan(毛小南)，Zhao Yongqing(趙永慶)，Yang Guanjun(楊冠軍).國外航空發動機用鈦合金發展現狀[J].RareMetalsLetters(稀有金屬快報)，2007,26(5)：1-7.

[6]Chang Hui(常輝)，Wang Xiangdong(王向東)，Zhou Lian(周廉).鈦合金及其在艦船裝備上的應用現狀與趨勢[J].MaterialsChina(中國材料進展)，2014,33(10)：602-604.

[7]Barbara, Henon K. Orbital Welding of Titanium Pipe for U.S. Navy Ships[J].AmericanWeldingSociety,2009,88:26-28

[8]Jiang Chenyu(蔣成禹)，Xu Jijin(徐濟進)，Yan Keng(嚴鏗)，etal.俄羅斯海軍用鈦情況及我們的思考[J].TitaniumIndustryProgress(鈦工業進展)，2003(6)：32-34.

[9]Bai Yunhui(白云輝)，Xiang Ping(向 平).鈦合金在艦船武器裝備中的應用[J].MechanicalEngineer(機械工程師)，2012(12):35-36.

[10] Lu W, Li X Y, Lei Y P,etal. Study on the Mechanical Heterogeneity of Electron Beam Welden Thick TC4-DT Joints[J].MaterialsScienceandEngineering,2012(A540):135-141.

[11]Rodney R Boyer, James C Williams.DevelopmentsinResearchandApplicationsintheTitaniumIndustryintheUSA[C]//Proceedings of the 12thWorld Conference on Titanium .Beijing: Science Press,2011:10-19

[12]Zhao Yongqing(趙永慶)，Zeng Weidong(曾衛東)，Lin Cheng(林成).鈦合金的定量研究進展[J].MaterialsChina(中國材料進展)，2014,33(10)：536-539.

[13]Zhu Zhishou(朱知壽)，Shang Guoqiang(尚國強)，Wang Xinnan(王新南)，etal.低成本高性能鈦合金研究進展[J].TitaniumIndustryProgress(鈦工業進展)，2012 (6)：1-4.

[14]Kosaka Yoji ,Fox Stephen P, Faller Kurt,etal. Properties and Processing of TIMETAL LCB[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2005,4(6):792-798.

[15]Huang Xu(黃旭)，Li Zhenxi(李臻熙)，Huang Hao(黃浩).高推重比航空發動機用新型高溫鈦合金的研究進展[J].MaterialsChina(中國材料進展)，2011,30(6)：21-26.

[16]Leyens C, Peters M.TitaniumandTitaniumalloys[M]. Weinheim: Wiley-VCH Verlag,2003: 385-387.

[17]Wang Huaming(王華明)，Zhang Shuquan(張述泉)，Wang Xiangming(王向明).大型鈦合金結構件激光直接制造的進展與挑戰[J].ChineseJournalofLasers(中國激光)，2009,36(12)：3 205-3 208.

[18]Yu P, Stepphani G, Luo S D,etal. Microwave-Assisted Fabrication of Titanium Hollow Spheres With Tailored Shell Structures for Various Potential Applications[J].MaterialsLetters,2012,86:84-87.

[19]Wang Huaming(王華明).高性能大型金屬構件激光增材制造：若干材料基礎問題[J].ActaAeronauticaetAstronauticaSinica(航空學報)，2014,35(10)：2 690-2 697.

[20]Lu Bingheng(盧秉恒),Li Dichen(李滌塵).增材制造(3D打印)技術發展[J].MechanicalBuildingandAutomation(機械制造與自動化)，2013,42(4)：21-24.

(編輯蓋少飛王方)

第一作者：李獻民，男，1962年生，教授級高級工程師，Email:lixianmin@baoti.com

Discussion on Economic Analysis and Decreasing Cost Processof Titanium and Titanium Alloys

LI Xianmin , LIU Li , DONG Jie , ZHAO Pu

(Baoti Group Co.,Ltd., Baoji 721014, China)

Abstract：Because of excellent comprehensive properties, such as low density, high specific strength, good toughness, non-magnetic, excellent anti-corrosion, titanium and titanium alloys were widely used in aviation, aerospace, naval vessel petroleum, metallurgy, chemical industry, electric power, biomedicine and other civil markets. This paper describes the advantages and applications of the titanium and titanium alloy materials，comparatively analyzes the changes of the raw materials prices in recent years, such as titanium sponge, electrolytic nickel, copper alloy and stainless steel, and analyzes the processing pathways to achieve low cost of titanium alloy. Through calculating and analyzing the examples of titanium alloys applications by the life-cycle economic analysis method, the economical efficiency was analyzed about condensate water pipings for naval vessels made by stainless steel, copper alloy, nickel alloy, titanium and titanium alloy. Under the recent conditions in raw materials prices, materials production and processing cost, we should vigorously promote the using of titanium and titanium alloy materials.

Key words：titanium and titanium alloy; market application; economic analysis; life-cycle economic analysis;low cost

中圖分類號：TG146.23

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2015)05-0401-06

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.05.13

收稿日期：2014-12-15