- 在軍工史上,具備輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐腐的鈦合金,一度被稱作“深海王者”。冷戰(zhàn)時(shí)期,蘇聯(lián)曾憑借鈦合金技術(shù)制造出下潛超千米核潛艇,其航速至今無人能超越。但因?yàn)槌杀竞涂煽啃缘葐栴},正在逐漸被淘汰。
不過,尤其值得關(guān)注的是,鈦合金的輝煌一直仍只是局限于潛艇領(lǐng)域,從未涉足航母建造。當(dāng)下,鈦合金在航母上的應(yīng)用僅僅局限于螺旋槳、管路等部件。那么,盡管鈦合金性能卓越,為何至今都沒有用于制造鈦合金航母呢?我通過一個(gè)從事軍用鈦合金業(yè)務(wù)的人做了個(gè)深度了解,給大家做個(gè)詳細(xì)闡述。
首先就是成本方面,鈦合金比鋼鐵確實(shí)貴很多,最近幾年中國已經(jīng)把鈦合金原料跟加工打到世界有史以來最具性價(jià)比的程度,比如海綿鈦去年最低時(shí)只要50-60元/1公斤,貴的時(shí)候會(huì)在100元左右,但即使如此單就原料而言,鋼鐵價(jià)格依然會(huì)便宜非常多,甚至鐵礦石跟廢鐵才數(shù)元一噸了。
其次,鈦合金其實(shí)并不是原料昂貴,最大問題是加工困難或者說加工成本高,比如加工工時(shí)高,加工設(shè)備貴,材料損耗大,人員素質(zhì)要求高等。而且鈦合金是對(duì)空氣高度敏感金屬,對(duì)間隙元素非常敏感,極度微量的氧,氮,鐵,硅,氫都會(huì)造成鈦合金性能發(fā)生大變化。
因此,它無法使用常規(guī)冶煉方法,高級(jí)軍用產(chǎn)品甚至電極焊接都只能采用真空焊箱進(jìn)行焊接避免污染,熔煉時(shí)只能采用真空熔煉技術(shù),熔煉開始前要把熔煉干鍋里抽成真空后才能開始熔煉,使用電弧熔煉或使用電子束,真空磁懸浮等熔煉技術(shù),這樣使得熔煉設(shè)備成本跟熔煉時(shí)間比常規(guī)鋼鐵高出多倍。
到這里還不算完,這樣煉制出的只是鈦錠,對(duì)比鋼鐵的話大致就相當(dāng)于一個(gè)大鐵塊,之后要加工成零件的話,還要經(jīng)過多次鍛造(熱處理)以及最終機(jī)加才能成品。當(dāng)然也可以使用3D打印或真空鑄造技術(shù),但這些技術(shù)成本只會(huì)更加昂貴,比如3D打印每公斤鈦合金加工成本數(shù)千元左右,真空鑄造技術(shù)每公斤成本一般在數(shù)百到數(shù)千元一公斤。
其實(shí)真空鑄造技術(shù)是適合不需要熱處理的,結(jié)構(gòu)復(fù)雜有空腔結(jié)構(gòu)的鈦合金零件,批量越多越適合,缺點(diǎn)是無法熱處理,性能上會(huì)受到影響,對(duì)小批量產(chǎn)品根本不適合使用。因?yàn)槟阈枰圃炷>撸>叱杀景嘿F,如果制造數(shù)量少,簡直無法平攤模具成本,那單個(gè)成本就會(huì)很高。
比如1個(gè)模具100萬,你只制造100個(gè)零件這個(gè)模具就不用了,單個(gè)產(chǎn)品光模具費(fèi)就上萬了,但如果你制造10萬個(gè)零件,單個(gè)產(chǎn)品模具費(fèi)只要10塊錢,這樣成本優(yōu)勢就比較大了。
3D鈦合金打印適合需要熱處理且對(duì)性能要求更高的鈦合金零件,缺點(diǎn)這是目前成本最高制造生產(chǎn)方式,但制造小批量高性能且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí),可能會(huì)比鑄造有一定優(yōu)勢。
如果使用鍛造加機(jī)械加工路線的話,首先高級(jí)軍工產(chǎn)品,需要極多次反復(fù)鍛造,出來只是鈦坯,最終如果是復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工,最終成材率也非常低,優(yōu)勢是可以進(jìn)行熱處理,對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單鈦合金零件使用,這個(gè)技術(shù)加工成本已經(jīng)是最低的。但缺點(diǎn)是工時(shí)漫長工序多,不適合做復(fù)雜結(jié)構(gòu)原材料材料,而且損耗大。
可見,這一切最終會(huì)使原料方面就非常貴的鈦合金,到最終成品價(jià)格更是高昂了。原料成本50-60元一公斤,最終將鈦合金制造成零件的成本,根據(jù)零件形狀及性能要求,可能會(huì)增加5到300倍,遠(yuǎn)大于鋼鐵制品的成本增加。
當(dāng)然民品一般性能要求低,原料的5-15倍價(jià)格一般就能覆蓋,而軍工產(chǎn)品性能要求成本會(huì)更高。最貴的鈦合金零件是用在航空的,比如鈦鋁合金,是用在大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上,屬于特種高溫合金,這個(gè)是最貴的,具體價(jià)格就不透露了,但反正一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)要數(shù)千萬美元,這玩意價(jià)格自行想象,另外一些超純鈦可以用在半導(dǎo)體上,純度小數(shù)點(diǎn)后面5-8個(gè)9,價(jià)格也非常昂貴了。
不過鈦合金最大優(yōu)點(diǎn),是達(dá)到鋼鐵性能的力學(xué)性能前提下,重量可以減輕40%的左右,所以航天航空上用途比較多,以及具備遠(yuǎn)比鋼鐵強(qiáng)大耐腐蝕性能,因此在海軍是大量使用的,但一般會(huì)作為某種耐腐蝕材料或結(jié)構(gòu)減重材料使用的,其實(shí)我國一直仍然是沒有完全使用鈦合金的軍艦,畢竟需要平衡成本跟性能。
而且鈦合金雖然性能接近優(yōu)秀鋼鐵牌號(hào)的力學(xué)性能,但鋼鐵也分非常多種類,有些種類鋼鐵的某些性能是比鈦合金更強(qiáng)更便宜的,其次大多鈦合金高溫性能都不行,所以完全采用鈦合金并不是一個(gè)理性選擇。雖然也有耐高溫鈦合金,但一般使用在海軍鈦合金,也不會(huì)使用這種耐高溫鈦合金,因?yàn)閮r(jià)格非常昂貴,而且通常非?!按唷保庸るy度比普通鈦合金還要復(fù)雜多倍,一般是只能用在航天跟航空上的。不過各國鈦合金牌號(hào)超過100種,但海軍常用的不會(huì)超過5種。
另外,包括坦克裝甲之類,常規(guī)鈦合金都不適合作為基材材料,但作為一個(gè)結(jié)構(gòu)性材料是合格的。這點(diǎn)很多已經(jīng)被應(yīng)用了,比如我國制造類似M777鈦合金火炮和制造AH4火炮就是一個(gè)結(jié)構(gòu)材料,主要使用就是鈦合金的火炮。
最后,得益于我國極端全面鈦合金產(chǎn)業(yè)鏈,我國事實(shí)上已經(jīng)完成原料,熔煉,鍛造,3D打印,真空鑄造,相關(guān)技術(shù)跟設(shè)備全面國產(chǎn)化。無論產(chǎn)能跟性能都足以媲美世界任何國家,特別產(chǎn)能優(yōu)勢極大,海綿鈦占世界70%,鈦材占50%以上,但就算如此,實(shí)際上國內(nèi)企業(yè)都都還沒滿功率生產(chǎn),實(shí)際規(guī)劃的產(chǎn)能在全世界比例會(huì)達(dá)到80%,是這個(gè)領(lǐng)域統(tǒng)治性力量。
還有,我國每年使用海軍上的鈦合金,目前應(yīng)該也是世界上最大的,但就是我們沒跟蘇聯(lián)一樣,去制造純鈦合金的軍艦或潛艇而已,因?yàn)闆]啥意義,我們使用混合材料就能制造出跟全鈦合金材料性能相當(dāng)?shù)臇|西了,沒必要額外多花幾倍錢。
蘇聯(lián)當(dāng)初那樣搞鈦合金軍艦或者潛艇,是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)體制下,很多東西他們是沒成本概念的,他們可以不計(jì)代價(jià)成本,為了少量成品性能,多花幾倍資金或者資源去得到他們想要的先進(jìn)性能,我們跟蘇聯(lián)不同是會(huì)考慮成本的,除非真是這種材料優(yōu)勢非常大,我們才會(huì)愿意多花很多錢上它。
如果單單為提高10%性能,額外多花幾倍錢這種事,蘇聯(lián)人愿意干,我們是不愿意干的。其次就是中國產(chǎn)業(yè)鏈非常全,往往可以通過不同材料復(fù)合使用達(dá)到減少成本效果,比如蘇聯(lián)鈦合金很強(qiáng),但蘇聯(lián)碳釬維,陶瓷領(lǐng)域或其他材料領(lǐng)域技術(shù)不行,他們只能在自己領(lǐng)先領(lǐng)域不計(jì)代價(jià)成本拼命發(fā)揮,才能得到一個(gè)性能相對(duì)理想的效果,而我們就不同,一種材料路走不通就考慮另外一種材料,每種材料都走不通,就考慮復(fù)合使用不同材料,通過不同領(lǐng)域的材料搭配使用,花費(fèi)增加不多情況下,可以得到類似性能,這是蘇聯(lián)沒有的選項(xiàng)。
其實(shí)美國現(xiàn)在也沒有海綿鈦生產(chǎn)能力了,靠進(jìn)口日本跟烏克蘭海綿鈦然后自己加工,甚至加工能力都不是很充裕,俄羅斯烏克蘭戰(zhàn)爭前美國把大量鈦合金加工工作外包給俄羅斯,波音鈦合金零件之前很大比例是俄羅斯生產(chǎn)的。日本只有海綿鈦生產(chǎn)能力,但沒有加工能力,俄羅斯加工鍛造能力比較強(qiáng),但機(jī)加能力弱,雖然我們機(jī)床不如頂級(jí)西方貨,但俄羅斯機(jī)床還不如我們國產(chǎn)的貨了。
另外,俄羅斯在3D打印跟真空鑄造也沒啥建樹,而前蘇聯(lián)最大海綿鈦企業(yè)在烏克蘭,大概占俄羅斯40%海綿鈦產(chǎn)量,所以原料上俄羅斯比較蛋疼,加工目前也蛋疼,因?yàn)楸恢撇煤蠖砹_斯鈦合金加工訂單減少一大半,去年俄羅斯鈦合金企業(yè)組團(tuán)到中國試圖拉業(yè)務(wù),但顯然我們自己加工企業(yè)前業(yè)務(wù)都不滿,不可能分給俄羅斯的。何況俄羅斯有的加工能力,我們這邊都有,俄羅斯沒有的加工能力我們這邊也有,甚至歐洲基本都要進(jìn)口中國貨。
簡單來說,在鈦合金領(lǐng)域,我們一國可以吊打全世界,除非極個(gè)別特殊牌號(hào)鈦合金,我們還在突破,別的領(lǐng)域我們都是絕對(duì)優(yōu)勢,現(xiàn)在問題是我們產(chǎn)能爆發(fā)的太多了,內(nèi)卷造成全國鈦合金價(jià)格甚至大幅度下跌,造成企業(yè)利潤不好,未來技術(shù)存在問題或者從事低端鈦合金加工的小企業(yè)會(huì)甚至可能會(huì)出現(xiàn)加速倒閉。
目前市場上魚龍混雜,最差的材料是鈦屑錠,我國河北某地跟西北某地是國內(nèi)鈦合金廢料回收中心,他們經(jīng)過多年琢磨,搞出了各種奇奇怪怪的鈦合金廢料回收技術(shù),最終搞出這種鈦屑加工的錠子。這種鈦屑鈦合金具備很強(qiáng)欺騙性,外觀看起來是鈦合金,光譜檢測也是鈦合金,化學(xué)成份也是鈦合金,但力學(xué)性能因?yàn)榛烊脒^多雜質(zhì)已經(jīng)廢掉了,一致性極差。
初期混跡市場因?yàn)闃O高成本優(yōu)勢,在極低端跟低端市場忽悠不少不懂的人,一般是賣給業(yè)外人士。我見過這種廢料材料,外觀看起來沒啥問題,但是你真拿這個(gè)東西去加工零件,你會(huì)發(fā)現(xiàn)加工出來,這玩意很大概率會(huì)自己碎掉,不存在任何力學(xué)性能。
當(dāng)然大家也別恐慌,這種材料一般是被奸商賣給化工廠做工業(yè)用途,化工廠因?yàn)槟透g需求,會(huì)一次購買幾噸甚至幾十噸這種鈦材料,因?yàn)檫@些材料都是很多年才換一次的,工廠采購對(duì)這個(gè)不太理解,有時(shí)為省錢,到處詢價(jià)最后就買市面上最便宜的鈦屑錠子,等到他們用這材料加工鍛造就會(huì)出問題,比如忽然斷裂或粉碎,但這時(shí)已經(jīng)找不到賣家了,而賣家每噸會(huì)有數(shù)萬暴利,不過近期這種事已經(jīng)少了,早幾年發(fā)生很多。
目前市面上加工成品的鈦產(chǎn)品,絕大部分不是這個(gè)東西,因?yàn)槿绻嫌袉栴},這些產(chǎn)品在中間工序時(shí),就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題,做不成成品就報(bào)廢了,去年到今年因?yàn)楹>d鈦價(jià)格降低到有史以來最低值,使得鈦加工行業(yè)成本大大降低,目前假貨很少了。而且民用鈦合金大多使用是純鈦,因?yàn)榧冣伇容^軟容易加工,制造成本低,民用市場大多使用它為原料加工各種產(chǎn)品,缺點(diǎn)是性能強(qiáng)度遠(yuǎn)不如正經(jīng)鈦合金,用來做水杯,水壺,餐具,車架等民品,也有手機(jī)跟手表使用的。
還有一點(diǎn)跟一般人想象不同,鈦合金性能遠(yuǎn)比純鈦要好,純鈦價(jià)格會(huì)便宜的多,也可以說純鈦是鈦合金產(chǎn)品里最便宜,最沒技術(shù)含量的品種,比如最常用TC4鈦合金,含有6%鋁跟4%釩,一般人可能認(rèn)為加了鋁肯定成本比純鈦要低,但事實(shí)上這里面加了鋁跟釩都是成分超純的中間合金,雖然成份看起來不是很貴金屬,但實(shí)際每公斤價(jià)格比海綿鈦還要貴的多,跟一般人理解鋁不是一個(gè)東西,這些合金純度非常高,雜質(zhì)非常小,并且具備非常好的融合性,只有使用這些材料,才能保證鈦合金成份均勻,并性能達(dá)標(biāo)。
不同牌號(hào)的鈦合金,鈦合金成份跟力學(xué)性能時(shí)有嚴(yán)格數(shù)據(jù)要求的,極小合金含量的差異就會(huì)造成該鈦合金性能不合格,比如一些少見牌號(hào)鈦合金會(huì)加稀土,但稀土含量只有0.2%,這么小含量,還要保證成份均勻,熔煉難度是很大的,含量你高了是報(bào)廢品,低了也是報(bào)廢品,只有規(guī)定數(shù)值范圍內(nèi)才是合格品,因此沒有添加任何合金的純鈦熔煉難度是最低的,也是最不容易出問題的,但性能也因?yàn)槿狈χ虚g合金,晶體結(jié)構(gòu)無法發(fā)生改變,性能比正經(jīng)鈦合金差2-3倍。但民用產(chǎn)品一般不需要什么力學(xué)性能,所以民用倒不影響什么了。
- 接下來,我們?cè)賮砜纯慈澜玮伄a(chǎn)量。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的數(shù)據(jù),2022年全球鈦鐵礦產(chǎn)量為890萬噸,金紅石產(chǎn)量為59萬噸。而據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)的數(shù)據(jù),2020年中國鈦材產(chǎn)量達(dá)到近10萬噸,占全球鈦材產(chǎn)量50%以上。從理論來說,我們這個(gè)產(chǎn)量屬于集合全國之力一年的產(chǎn)量,當(dāng)然也是夠產(chǎn)一航母的。也就是說,我們真要鐵了心造一鈦合金航母,也不是不可以,畢竟航母從開工到下水怎么也得三五年的,作為全國超級(jí)重點(diǎn)工程,冶煉廠增產(chǎn)加上其他民用軍工都一起讓路,只要湊夠鈦合金材料數(shù)量也不是不可能的。但是,如前面所述,鈦合金的冶煉技術(shù)成本極其高昂并不合適的。
最后還有一點(diǎn)就是,真正導(dǎo)致鈦合金不能用來建造航母的原因是鈦合金的焊接性能太差了。畢竟航母在軍用領(lǐng)域是屬于高大型的,在所有焊接過程中,高溫下極其易氧化,還有吸氣性,一點(diǎn)點(diǎn)氧氣就給你顏色看,不是裂縫就是夾渣。非常難搞?,F(xiàn)在船舶工藝對(duì)焊接的依賴又是不可替代的,那鈦合金的焊接更是特別難了。
你要說有沒有人干過類似的喪心病狂的事,其實(shí)還是有的。正如前面所說的,蘇聯(lián)當(dāng)年的鈦合金潛艇就是用鈦合金耐壓殼體。為了焊接這個(gè)巨大的構(gòu)件,蘇聯(lián)造了個(gè)最大的封閉罐子,焊接時(shí)在封閉罐子里充滿保護(hù)氣,焊接工人穿著類似宇航服衣服進(jìn)入罐子里工作,才能完成這么巨大的鈦合金焊接件。那么,想造鈦合金航母,就需要航母尺寸的密閉容器,在里頭充滿保護(hù)氣,再讓工人進(jìn)去焊接。這活誰能干?全球只有中國能干,但是我們不會(huì)做!
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