鈦生產技術的發(fā)展.doc

鈦生產技術的發(fā)展編者按：鈦是一種重要的原材料，在大部分軍用機中都占據了結構重量相當大的一部分。除了需要考慮宏觀層面的鈦市場供應和需求趨勢外，未來的鈦工業(yè)還可能受到那些有助于降低鈦生產成本的技術革新的影響。本期專題概要介紹了部分新興鈦生產技術。鈦擁有一系列卓越的特性，比如高強度重量比、高溫下的高強度、耐腐蝕和熱穩(wěn)定性等，這使得其成為機身結構材料的理想選擇。近年來一系列因素造成了鈦價格的飛漲，預計將影響未來軍用飛機的購置成本。本文將重點介紹：目前是否有一些可以顯著降低鈦生產成本的新興技術？這些技術最早什么時候可以應用到相關產業(yè)？它們被采用和商業(yè)化的可能性有多大？可以在多大程度上降低鈦生產成本？1 新興生產技術鈦的生產過程包括幾個階段：鈦礦石提煉成海綿鈦，海綿鈦熔融、澆注成鈦錠，鈦錠加工成軋制成品，軋制成品制作成零部件。2 改良的鈦提取與精煉工藝2.1 技術背景許多研究人員正在為克羅爾工藝（Kroll process）尋找更快、所需勞動力和能源更少的替代工藝。Metalysi公司（劍橋大學附屬公司，原名為FFC）開發(fā)的劍橋工藝（Cambridge process，又稱“FFC劍橋工藝”）利用電解法來連續(xù)生產海綿鈦。國際鈦粉（ITP）公司（已于2008年底被全球領先的鈦白粉生產商CristalGlobal收購）開發(fā)的阿姆斯壯工藝（Armstrong process）通過連續(xù)低溫還原四氯化鈦來生產鈦粉。杜邦公司和材料與電化學研究公司（MER Corporation）開發(fā)的MER工藝利用直接電解還原法生產鈦粉。先進材料集團（ADMA Group）開發(fā)的氫化脫氫工藝（hydride/ dehydride process，HDH）利用改良的克羅爾工藝用鈦廢料、屑和其它鈦廢棄物來直接生產鈦粉。值得注意的是，這四種新興鈦提取與精煉工藝中有三種是用于生產鈦粉。目前，鈦粉僅占鈦年產量的極小一部分。它是通過利用等離子旋轉電極工藝（plasma rotating electrode process，PREP）或氣體霧化工藝（titanium gas atomization process，TGA）霧化軋制成品喂料制得的。由于只能用精煉鈦來生產，鈦粉及其昂貴，只用于高度專業(yè)化的應用，如醫(yī)療植入物等。一種能夠直接從鈦礦生產鈦粉的工藝的出現，正如上述新興工藝一樣，將會使得鈦粉便宜很多，也有可能使其成為鈦市場的一個重要部分。2.2 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)所有這些新興工藝都可以提高產量、降低能耗、減少資金投入，而且大多數情況下都采用連續(xù)化生產減少所需勞動力，從而降低成本。新興鈦粉生產工藝不需要VAR（真空電弧重熔）、EBM（電子束熔煉）或PAM（等離子弧熔煉）來生產最終零部件，從而省去了現有工藝中的許多步驟及相應的重大基礎設施。如果能成功應用的話，經新技術改進后的生產速度將擴大鈦的市場供應量，大大縮短交貨時間。能源和勞動力的節(jié)約也會使得鈦金屬價格下降，當然這在一定程度上取決于生產者的意愿。這些技術的面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何讓它們得以應用。2.3 融入供應鏈在上述四種新興工藝中，僅有劍橋工藝是由主要的海綿鈦生產商資助研發(fā)的，它用于直接生產海綿鈦，相對于其它三種用于生產鈦粉的工藝來說，集成到現有生產過程中會更加容易。鈦粉可直接作為海綿鈦的一種代替品集成到現有供應鏈，但這將否定其大部分節(jié)約潛能，而且由于鈦粉的高生產成本，這在商業(yè)上也是不可行的。不過，如果劍橋工藝可以用于粉末冶金，節(jié)約效果將會非常大。后文將對粉末冶金進行討論。只要這些新工藝中的任何一種取得成功，都將徹底改變幾十年來一直是基于同一技術、由少數幾家公司主導的市場。雖然新的提取技術可以為現有公司提供巨大優(yōu)勢，或者為該產業(yè)新興力量的出現提供基礎，利用這一優(yōu)勢將需要生產能力方面的大量投資?，F有設施對于克羅爾工藝來說可能是最優(yōu)的，但如果想要利用新技術則需要全面更新。因此，新提取技術很重要，但要進入市場需要一定的時間。2.4 前景雖然改良的精煉工藝可以顯著降低生產成本，但大多數技術短期內不太可能獲得成功應用。據業(yè)界專家稱，劍橋工藝雖然已經商業(yè)化多年，但仍然受到那些尚未得到解決的技術壁壘的阻礙。阿姆斯壯工藝多年來一直用于生產少量的鈦粉，但直到目前還沒有用于大規(guī)模生產，距離鈦粉的商業(yè)化生產仍有一定距離。有些人認為MER工藝具有一定潛力，但目前尚處于開發(fā)初期，其前景仍不明朗。氫化脫氫工藝最有前途，ADMA集團報道說正在尋求資金來擴大其生產。專家認為，這一工藝在數年后即可為美國陸軍生產鈦板。然而，由于其低成本優(yōu)勢主要是來源于鈦廢料的高利用率，該工藝不能完全取代克羅爾工藝?？傊?，鈦提取與精煉工藝的技術變革有可能會長期出現，目前仍然存在技術不確定性。3 鈦粉末冶金3.1 技術背景鈦粉末冶金（P/M）并不是一項新技術，更準確地來說，它是一種完全不同的鈦零部件生產方法。作為一種成熟的技術，它已廣泛應用于其它金屬（例如鋁），但在鈦金屬上的應用很有限。通過粉末冶金生產零部件，所用的是粉末而不是海綿鈦。粉末加工成零部件的方法有幾種。金屬注射成形（MIM）是利用粘結劑將粉末粘結在一起，粘結劑在加熱過程中去除。在直接粉末軋制（DPR）中，粉末被軋制成片材，然后通過加熱、燒結進行固化。在熱等靜壓（HIP）鑄造工藝中，粉末被加壓、加熱，形成近凈形鑄件。所有這些工藝都已成熟，目前已用于生產少量零部件。3.2 優(yōu)勢和挑戰(zhàn)粉末冶金可以限制與傳統(tǒng)鈦生產相關的浪費。它不需要VAR（真空電弧重熔）、EBM（電子束熔煉）或PAM（等離子弧熔煉）。粉末可以直接形成任何形狀或軋制成品，提供了更高的產出。這一工藝也可以生產近凈形零部件，減少傳統(tǒng)的零部件生產通常伴隨的浪費。通過在幾個步驟提高產出，粉末冶金減少了制造一個最終零部件所需的原材料。不過，粉末冶金也確實引入了一些新的問題。第一個是污染控制，這在過去就是一個問題，它將對航天金屬構成一個特殊的挑戰(zhàn)。任何污染都將使得金屬不適用于航空航天零部件，所以加工必須是在潔凈室環(huán)境中進行。此外，很難用粉末制造大型部件，而這些部件占據了飛機中的鈦的重要部分。最后，鈦粉是易燃、易爆物品，這可能對大量粉塵的處理造成困難。3.3 融入供應鏈雖然粉末冶金目前是一個小眾市場（niche market），但經濟型鈦粉來源的出現將使得這些工藝非常具有吸引力。航空航天設計的高結構標準使得粉末冶金一時還難以出現在航空航天市場上。它可能會首先出現在軍事地面車輛裝甲中，其結構要求沒有那么嚴格。盡管這不會直接影響到航空市場，但它可以通過減少海綿鈦需求來降低價格。粉末冶金最有可能作為一種新的軋制成品生產方法進入航空航天市場，生產出的軋制成品可用于現有的制造技術。最終，它可用于目前在機身中應用有限的近凈形鑄件和其它形式的生產。對粉末冶金的引進速度影響最大的將是材料認證。認證過程的費用和困難將致使各公司盡量避免在飛機中使用粉末冶金產品，除非它們在其它領域已有重要的應用歷史。3.4 前景目前，粉末冶金在航空航天領域的主要應用是發(fā)動機制造。它曾用于生產可以承受發(fā)動機最熱區(qū)域的極端條件的耐熱合金（Eisen, 1996）。由于污染控制問題，粉末冶金通常是在沒有其它辦法可以生產所需合金時才會使用。此外，粉末冶金也用于制造軍用飛機中的一些小零部件。粉末冶金想要在航空航天領域獲得更廣泛應用，需要鈦和鈦軋制成品制造商們在靠近供應鏈源頭處進行大量的投資。鈦粉很容易被污染，且十分易燃、易爆，相關安全處理知識和設施的開發(fā)可能需要數年。如上面所討論的，鈦粉對行業(yè)可能帶來的影響取決于其可以被如何廉價地生產。4 一次熔煉工藝4.1 技術背景傳統(tǒng)的鈦生產工藝需要進行23次VAR熔煉，50多年來這已經成為了一種標準。近來的技術進展去除多次熔煉，只經過一次電子束熔煉（EBM）或等離子弧熔煉（PAM）處理，生產出的鈦即可滿足多數航空應用的要求。4.2 優(yōu)勢一次熔煉工藝減少了一個熔煉步驟，在提高產量、節(jié)約時間和能源的同時，也比傳統(tǒng)的真空電弧重熔（VAR）法的生產速度要高。采用VAR兩次熔煉法生產一批37噸的鈦需要超過2025天的時間，而采用單次EBM熔煉法可以在14天內生產出超過15噸的鈦。EBM和PAM工藝還可利用小塊和純度較低的廢料，將推動對回收鈦的需求。以上這些優(yōu)勢使得一次熔煉法非常適合大規(guī)模生產，盡管這種工藝并不適用于小批量的特殊合金制備。同時，采用EBM或PAM工藝比較難以控制產品的化學組分，但這只是一個小問題而已。4.3 融入供應鏈一次熔煉法已經實現了商業(yè)化應用，不太可能引發(fā)市場發(fā)生太大變化。由于這種工藝需要主要鈦生產商進行大量的資本投資，故而這一工藝還只是在緩慢地向市場進行滲透。不過由于鈦的市場價格很高，生產商正在擴大產能，一次熔煉法有望在不遠的將來成為新建工廠普遍采用的一種工藝。擴大這類工藝應用的一個最大障礙是一次熔煉材料（single-melt materials）的認證。波音公司和TIMET公司已經就一次熔煉材料的標準進行了若干年的談判，但仍沒有達成一致。不過，雙方相信他們已經距離達成協(xié)議不遠了，這意味著單次熔煉法的采用更多的是時間早晚的問題。不過，即使一次熔煉法成功推廣開來，客戶依然可能無法在短期內享受到成本的下降。市場的供不應求會使生產商將節(jié)省下的成本當作額外利潤予以保留，可能只有出現市場低迷后，成本削減才會傳導到終端用戶（包括飛機制造商）。長遠來看，一次熔煉工藝將成為業(yè)界標準。雖然該工藝目前尚未被用于商業(yè)生產，但它已經在若干軍事項目中有所應用。F-15戰(zhàn)機的尾部構件就是采用單次熔煉材料制造的，靜態(tài)引擎部件以及引擎壓氣機葉片也是。對軍事項目而言，認證并不是大問題。主要限制將在于一次熔煉法產能的擴大速度，以及價格競爭能夠在多大程度上迫使主要生產商替換其VAR產能。5 實體自由成形制造5.1 技術背景實體自由成形制造使用點熱源來融化連續(xù)層中的鈦絲，制成復雜的三維零部件。此外，鈦粉也可用于制作這種部件。Arcam和AeroMet等許多公司都開發(fā)了這種技術，通常是采用電子束或激光束作為熱源。5.2 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)這些工藝比現有的部件制造技術要快很多，需要的能源較低而產生的廢棄物更少。盡管具有這些優(yōu)勢，但采用實體自由成形制造技術制造部件仍然比用傳統(tǒng)技術制造的部件要貴，這主要是由于所需勞動力和技術等因素。這一技術主要適合于小部件的制造，它們只占航空材料的一小部分。有限的應用限制了其成本節(jié)約潛力和對軍用飛機的成本的影響。5.3 前景這種技術是由AeroMet公司與波音公司以及美國國防高級研究計劃署聯合開發(fā)的，并在AeroMet公司得到示范應用。作為與波音公司合約的一部分，AeroMet公司對F/A-18戰(zhàn)機的一些機翼部件進行了全尺寸地面測試，并且能夠對它們的生產使用進行認證。AeroMet公司于2005年倒閉，但專家認為，采用類似技術生產的部件已經在軍用飛機上得到了應用。6 機械加工技術的進步6.1 技術背景與優(yōu)勢鈦極難進行機械加工，其活性限制了工具表面的溫度，因而也限制了加工速度；此外，導熱性能不佳也是一個問題。鈦的硬度很容易令加工工具快速磨損。以前，這些問題的存在使得加工成本近乎是原材料成本的兩倍。近年來，一系列的進步大大降低了機械加工成本。例如，過去由于結構負荷的不確定性，零部件的設計就需要一些富余以應對那些不確定性；現在，借助電腦設計可以更好地進行分析，減少富余。同樣地，部件加工也可預先分析，優(yōu)化的設計可以降低勞動力成本并提高產量。這些進步仍將持續(xù)下去，在不遠的將來，機械加工成本還將不斷降低。6.2 市場與前景這些變化似乎是機械加工漸進、累積進步的結果，而不是單一技術創(chuàng)新的結果。這些進步源于接近供應鏈末端的零部件制造商的變化，它們包括波音、洛克希德馬丁等主要的鈦用戶，也包括一些小規(guī)模的代工機械工廠。市場的多元化以及漸進的技術變革將推動創(chuàng)新的快速應用，這些創(chuàng)新將使最終零部件的制造成本呈不斷下降的趨勢，而不是突然的降低。在零部件生產中，很高的BTF比率（buy-to-fly ratio，即制造一個零部件所需的原材料量與最終零部件中所含材料量的比率）往往是高成本的根源所在。改進這一比例，就像改進提煉、熔融、軋制成品生產的產出率一樣，可以降低生產零部件所需的原材料量。開放資源關于這一領域的工作細節(jié)很少，但該領域似乎是航空公司的關注重點。盡管尚不清楚會出現什么變化，但BTF的改進方法應當得到監(jiān)測。6.3 新興技術在節(jié)約成本方面的潛力為了使人們對上文所討論的技改在期限、可行性、節(jié)約成本潛力等方面有一個更加理性的認識，蘭德公司邀請相關行業(yè)專家盡可能準確地回答下列問題：這些新興技術最早什么時候可以應用于相關產業(yè)？這些技術被采用和商業(yè)化的可能性有多大？這些技術能夠在多大程度上降低鈦生產成本？每項新興技術應用的期限被評估劃分為近期（13年）、中期（47年）和遠期（810年）。可行性及節(jié)約成本潛力被評估劃分為低、中、高三檔。需要注意的是，這些評估是針對普通鈦市場的技術應用，并非只是航空市場。嚴格的認證要求和保守的工程學可能會阻礙一項技術在航空航天市場的應用，直到其在一般市場得到檢驗后多年。此外，成本節(jié)約是相對于目前應用的所有工藝。比方說，一項制造技術可能可以節(jié)約某種部件的生產成本，但這個部件可能僅占飛機所用全部鈦的一小部分。與行業(yè)技術專家討論的結果匯總于表1。雖然改良的提煉技術獨自帶來的成本集約有限，但可以使得粉末冶金方法經濟可行，這將產生更大的節(jié)約。目前，鈦粉極貴，然而新興的生產技術有望讓其在將來比海綿鈦更便宜。兩大進展的結合（克羅爾工藝的改良替代工藝、經濟可行的粉末冶金技術的發(fā)展）將會產生巨大的成本節(jié)約潛力。利用其它新技術取代當前使用的一些昂貴的工藝也可以產生成本節(jié)約。改良的機械加工技術具有特別高的近期成本節(jié)約潛力。表1 新興技術的成本節(jié)約潛力分類技術期限可行性成本節(jié)約能力改良的提煉與精制技術阿姆斯壯工藝中期低低劍橋工藝中期低低MER工藝中期中低氫化脫氫工藝近期中低粉末冶金熱等靜壓鑄造遠期高高軋制成品粉末冶金遠期高中近凈形粉末冶金遠期中高一次熔煉工藝冷床熔煉近期高低實體自由成形制造實體自由成形制造中期中中改良的機械加工技術多種近期高高注：該表不包括系統(tǒng)調查的結果，而是基于行業(yè)技術專家的認知以及蘭德公司對文獻