引言
钛和钛合金材料因其应用价值非常高，被广泛应用于多个尖端科技制造领域，比如：舰船、航空航天、太空飞行器等。同时，在化工生产、石油、电力等决定着国家经济命脉的产业中，钛和钛合金也发挥着非常重要的作用。但由于传统观念的限制，人们对合金的认识普遍还停留在铝合金、合金钢等材料，这些材料制作成本上相对低一些，应用范围也更加广范。未来随着高端制造业的发展，钛和钛合金材料的优势将会凸显，应用范围还将进一步扩大。
相较于铝合金、合金钢材料，钛及钛合金材料的成本高出许多，致使其推广应用范围和速度都不理想。除了生产成本高外，影响钛材料推广的另一个原因是因为钛及钛合金产量小，无法满足现阶段市场实际需求。文章通过将钛及钛合金的各项指标与其他合金材料对比，阐明了钛材料的应用优势和综合的市场竞争力。
1、 钛及钛合金在经济效益方面的分析
1.1 钛材料产量持续提升
根据有关部门的数据统计，钛合金在近 10 年内价格持续在降低，而其产量和应用范围却比其他合金增长和扩展得要快，而且产量呈现持续增长的态势，为钛材料扩大市场应用范围奠定了重要基础。
1.2 钛合金材料应用优势凸显
随着我国钛材料加工技术的高速发展，其产量和质量都呈现上升趋势，这也直接影响了钛材料的整体价格，使得钛材料的价格处在合理的位置。就以舰船用钛合金材料为例，在建设舰船管道系统方面，钛合金材料的应用优势要明显高于传统材料。国外有人对于舰船上管道系统所用合金材料进行研究并给出了综合评价，其中就包括钛合金以及传统合金材料。通过研究对比显示，传统的合金材料在使用过程中的最高使用寿命基本都维持在 10 年左右，并且要在使用期间进行高频次的维护，甚至出现没有达到规定年限就需要换新的情况，这主要由于长时间的使用会使材料接口处出现腐蚀现象。但钛合金材料在使用寿命方面可以做到和舰船的使用寿命同长，也就是说在建造舰船时，使用的钛合金材料部件，能够使用到舰船退休或报废，而且使用期间也无需进行高频次的维修，只需要定期进行简单的检查维护[1]，综合成本算下来不比普通合金贵。
2、 降低钛及钛合金材料制造成本的对策
现阶段，我国海绵钛的产品价格在价格在 6 万元 / 吨左右，这个价格是钛材料使用至今的最低价，甚至低过了海绵钛生产的成本价。钛材料的价格基本由几个方面组成，其中包括钛合金的原材料、真空熔炼以及加工成本。钛材的生产成本大概在 10 万元左右，熔炼和原料的加工构成比例是 1∶1 左右，而对于售价每吨 15 万～20 万元售价的钛合金来说，比例大概在1∶1.5 以上。通过以上数据可以分析得出，降低钛材料的制造成本可以从两方面进行，首先是降低生产原材料的价格，其次可以降低熔炼工艺和材料加工的成本。
由于钛合金材料的应用优势，研制出高性能、低成本的钛合金材料成为当前行业发展热点。要实现降低钛材料的成本，主要可以从原材料价格、合金熔炼的制作成本、加工技术投入以及工艺技术方面入手，来降低钛材料制作的整体成本。通过创新钛材料在原材料制备、铸锭制备等技术，就可能降低钛材料制作成本的 60%，而且不会因为成本的降低而影响钛材料的使用性能低，钛成本每吨降低6 000元，加工成本就会降低 10%。
2.1 低成本制作海绵钛技术
海绵钛是生产钛锭和钛材料的原料，其生产过程是把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到多孔状的海绵钛。这一生产过程需要消耗大量的能源。进入 21 世纪，我国海绵钛制作工艺和产能有了显著的提高。2021年我国海绵钛产能17.6万吨，并且通过不断优化和创新加工技术，已经实现了海绵钛全流程现代工艺技术生产，在还原蒸馏炉的电能消耗上已经有了明显降低，并且已经达到国际标准，这为后续钛及钛材料的低成本生产提供了基础保障。
从目前的研究开发状况来看，采用二氧化钛直接电解从而得到钛材料的新技术已经显示出了全面替代传统制钛方法的优势，但目前仍处于研究初期，将其正式利用到工业生产中还有一段很长的路要走。
2.2 低成本钛合金铸锭制备技术
2.2.1 采用廉价金属替代昂贵合金元素
针对钛合金制作成本高的情况，国外已经开始研究低成本制作钛材料的技术了，并且已经取得了显著成效。而我国在近些年也开始关注低成本制造钛材料的技术，并且我国已经研究出了一个有效的方式，就是在合金设计工作中，用廉价的合金元素替代昂贵的合金元素，从而降低合金制作的综合成本，以扩大钛合金的应用范围。通过多次实践证明，此方法的应用可行性高，并且对降低制作成本也有明显效果。目前国内将降低成本的重点放在了使用廉价的金属元素替代传统昂贵的金属，通过这种技术制成的钛合金综合性能受制于强度和加工性能，主要应用在汽车、体育等民用区域，在高端的航空领域还没有得到有效应用。
2.2.2 残料回收利用技术
在钛材料的加工生产过程中，钛材料会在各项工序中产生一部分残料，对于这些残料，很多工厂都以废料的形式处理掉了，这些残料其实还具有实际利用价值。通过以下操作就可以变废为宝，重复利用。首先可以先将这些残料清洗干净，然后根据每种残料的特性进行分类，将块料以捆绑电极的方式进行回收再利用，这些材料通过回收，再次利用率可达 100%。目前，钛材料的回收量还不到钛材料的 20%，因此，生产单位可以通过回收钛残料的方式对钛资源进行二次利用，这样可以极大程度上减少工业制造成本，同时还不会影响其应用质量[2]。国内部分企业已经开始利用该回收技术，实现了降低成本的目标。这种二次利用钛残料的方法在钛工业制造领域已经被广泛推广，特别是一些民营企业，这种方法的利用率更高，同时也积累了很多经验。但是，这些技术在使用过程中依旧存在很多弊端和问题，最典型的问题就是这种回收残料的方法并没有一个非常明确的标准，导致回收的残料质量难以得到保证，利用率也相对低了很多。
2.2.3 新型熔炼方式
降低钛合金制作成本的方式除了通过替换低价材料之外，科学合理地减少工业制造的流程也是一种比较有效降低制造成本的方法。目前，国际上生产大型优质钛合金坯料使用的方法包括应用新型的电子束冷床炉、等离子科冷床炉熔炼技术。
新型的熔炼方式能够直接替代传统的真空自耗电弧炉熔炼，从工艺制作流程上进行简化，从而缩短了制作流程，省去了传统的真空自耗电弧炉熔炼的油压机压制电极、真空焊接等工序等，同时还能够在一定程度上加大残料的回收量。冷床炉熔炼技术的普及不仅降低制作的成本，同时也提升了钛合金材料的质量。特别是利用单一的冷床炉技术熔炼钛合金，能够直接熔铸出扁锭，节省了近 20% 的制作成本。
目前，炉子适合熔炼合金与炉子的多少没直接关系，而是两种不同炉子的工作原理。相比于电子束冷床炉，等离子冷床炉在熔炼过程中合金元素更加容易控制，因此等离子冷床炉更加适合合金的熔炼。在钛合金的生产工艺中，电子束冷床炉和等离子冷床炉都可以容易烧铸成扁锭，可以直接开坯。开坯是制造钛合金必不可少的步骤，但通过上述技术方法，可以直接省去锻造开坯阶段，从而缩短制造流程。随着炼材技术的发展，部分钛材料及其附属产品的价格直线下降。比如在热连轧、冷连轧技术的发展，使得钛带实现了连续快速轧制，缩短了钛合金的制作流程，同时还降低了生产过程中的能源消耗，在产品质量上也得到了提升。
轧制工艺具有效率高、制作流程短的特点，因此被钢铁企业广泛应用。钛合金企业通过升级生产设备也可以实现连续生产的效果，而且在此基础上可降低生产成本。但是，实际的钛合金短流程制作工艺在技术上还没有足够经验，虽然与此前的生产相比效果提高了不少，但是这项技术的作用并没有被充分发挥出来，因此还需要在生产过程中继续探索，不断完善。
2.4 近净成形技术
2.4.1 增材制造技术
这项技术是根据原型制造的原理，将原材料的粉末或细丝通过激光的形式对金属原材料进行逐层熔化堆积。这项技术能够将零件的 CAD 模型直接制备成型，变成一个致密高、性能强的金属零件，是一项具有改革意义、周期短、低成本的制造新技术。
增材制造技术是近些年刚刚兴起的快速制造技术，并且凭借其出色的制造效果，拥有非常广阔的前景。该技术已被应用在航空航天等国际尖端领域，特别是一些大型复杂零件的制造上，制造周期短、效果好、成本低，可以降低 50% 左右的成本消耗。虽然这些制造技术具有非常多的技术优势，但是在技术和工艺上依旧还是有许多地方需要完善，还有一些制作技术上的问题没有得到解决，因此该项技术还有很大的优化空间。
2.4.2 EPS 消失模壳型锻造技术
钛及钛合金精密锻造技术是一种先进的金属铸件生产技术，其中钛及钛合金 EPS 消失模壳型铸造技术，会降低钛合金的制造成本，同时还能简化制造工序，缩短制作周期。这项技术不光能在生产环节方面节省成本，降低能源消耗，同时还能够提升产品的质量和精度。EPS 消失模壳型铸造技术作为一种高效的铸造技术无论从工艺流程还是从生产成本，甚至是产品质量上来看，都是一种具有绝对优势的新型铸造技术，可以全面实现低成本制造。但是利用此项技术进行合金制造时会出现表面污染情况，这个问题需要得到相关企业的高度重视，尽早解决。
2.4.3 金属粉末注射成型技术
金属粉末注射成型技术是将注射成型工艺和粉末冶金结合的工艺技术，金属粉末注射成型技术作为一种近净成形技术，可以用于制造高品质、高精度的复杂零件，是目前最具优势的成形技术之一。利用金属粉末注射成型技术可以制造一些精度要求较高的零件，同时在制作过程中即使出现了固相烧结，相对精度也能够达到 95% 以上，性能也足以和锻造材料相媲美。同时通过使用金属粉末注射成型技术支撑的零件在尺寸精度上也能够达到规定标准，还能最大程度上支撑最终形状的零件，最重要的一点就是不需要后期对零件进行加工和打磨，从而保证金属的利用率达到 100%。金属的利用率是降低企业生产成本的关键，通过提高金属利用率减少金属使用量，同时还能优化产品质量，从而保证企业的经济效益。
作为粉末冶金的新技术，金属粉末注射成型技术在汽车制造行业运用的范围最广，在制作汽车零件和汽车机械部件上，具有绝对的优势。在制作工艺和周期上都比传统制作技术具有更多优势，同时在制作质量上也远优于传统工艺制造技术。这项技术在成本控制上也能够达到最佳化，通过优化制作技术，缩短制作流程，降低制作成本，是一项非常值得相关部门大力推广的制作零件的新型技术。
3、 结语
钛合金材料无论从使用范围还是从使用寿命方面都要明显优于其他合金材料，而且在制作成本方面也要低于其他合金材料。随着海绵钛材料的产量和钛合金加工产量的快速增加，充裕的产能和价格优势，都是扩大钛金属使用范围的重要基础。通过对海绵钛的制备、铸锭制备的优化，高效轧制等技术的应用，钛合金制作成本进一步降低，综合成本可降低 3 成左右，在降低生产成本的同时，还能充分满足钛材料的实际需求。因此，在现有的原材料生产、加工以及工艺制作的基础上，钛及钛合金的应用已经具备了充足条件，因此有必要对其进行大力推广。
参考文献：
[1] 王祝堂. 低成本钛合金开发现状[J]. 世界有色金属，1994 (6): 32-33.
[2] 赵秦阳，陈永楠，徐义库，等. 钛合金材料低成本化制备技术进展与展望[J]. 中国有色金属学报，2021, 31(11):3127-3140.
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