攀枝花钛产业发展的技术聚焦和技术途径

九三学社四川省委副主委  四川大学数学学院教授  四川大学空天学院教授
罗懋康

摘   要

对攀枝花钛产业发展，本文从技术角度，给出简要的方向性分析和“精密成型，柔性定制”的方向性建议；并对由此而产生的关键技术问题，基于多种成熟技术的融和，提出创新性的技术、工艺解决方案，然后再给出一些措施建议。

一、资源

钒、钛是攀枝花最大的资源：

钛资源保有储量（以TiO2计）4.28亿吨，居世界第一位；
钒资源保有储量（以V2O5计）1047.86万吨，居世界第三位。

钛资源最为丰厚，且与钒相比较，在技术性能、应用价值和经济价值上优势明显。
聚焦于钛。

二、现状

已有投入与形成产能：

“钛产业……形成年产钛精矿350万吨，占全国70%的比例；钛渣50万吨，占全国40%比例；钛白粉60万吨，占全国15%；海绵钛2.75万吨，占20%左右；钛锭及材料6000吨的生产能力，约占8%。”

对上列情况略作分析可见，在产能所处层次和产能实际实现上，都显然还有不足：

1. 产能层次低端
产能类型基本上是在原材料和初级产品方面，其中最为低端的钛渣和钛白粉在全国的绝对产量和相对占比（在攀枝花方面）最高，略为高端一些的海绵钛和钛锭也都是初级材料，而且其中相对高端的钛锭占比还反而更低。
在大多数情况下，高价值来自后期加工甚至深加工所带来的附加价值。
对上列情况略作分析可见，在产能所处层次和产能实际实现上，都显然还有不足：

2. 产能实现不足

其次，即使是这样的初级产能，同时也正是因为是这样的初级产能，其实际产出也还有很大不足：

“2015年，攀枝花实际产钛精矿330万吨；钛渣18.19万吨；钛白粉33.37万吨；海绵钛0.81万吨；但钛锭及铸钛不足50吨。”

三、目标

攀枝花在钛产业方面的主要发展目标是：
“……到2020年，钛资源综合利用率达到50%以上（目前为20%以下），……钛精矿产能达到350万吨，钛渣（富钛料）产能达到300万吨，钛白粉150万吨，特种钛白10万吨，海绵钛产能达到5万吨，钛锭产能达到3万吨，各类钛材3万吨，钛及合金结构件、装备大众消费品1万吨；……钒和钛特种氧化物达到1000吨以上，高附加值含钒钛低微合金高强度钢600万吨。”
指标仍然只是应用范围相对较宽、附加值不太可能很高的初级材料制品。

四、方向

由此，可以比较明显地得出结论：需要争取钛制品的技术附加值。
针对这个必要性，基于后面将要简述的可行性，建议发展方向为：

在已有发展类型、发展方式之外，针对技术高端、民用高档的需求，规模由小向大、范围由窄向广、层次由中向高、多种类、小批量、精密成型、柔性定制地发展技术丰富、适用广泛的中高端钛制品产业。

必要性考虑：
若能按此发展，则
1. 可走出由现有技术低端、产品单一的低准入门槛所造成的附加值低、竞争者众的低层生态环境，弯道超车，跨越发展，直接上升占据生态结构中较高位置，增强生存和竞争的能力；
2. 为将来挤入高技术设备、装备制造的领域和层次做好纵向前期准备；
3. 在发展过程中积累和产生的技术、工艺、人力储备，将对相关产业和技术产生横向牵引效应，在材料、成型、结构乃至物理、化学、力学等相关方面形成更宽更广的带动或推动。

可行性考虑：

对此方向考虑相应措施时，所面临的问题，最关键的显然首先是技术和工艺方面的可行性，其次是人、财、物方面的可行性；下面我们将首先对技术和工艺进行稍多一点创新性方案的分析和设计，然后对人力、物力、财力方面问题从局外人角度提一些看法。

五、技术

上面建议的方向中，技术和工艺方面的主要目标是“精密成型，柔性定制”，我们对此进行简要分析。
我们按

的顺序进行要点简述。

1. 原料制备生产
不仅为了这里讲的“精密成型”，也是为了后面要讲的“柔性定制”，正如数字化信息的最基本元素是最简单的0、1一样，我们这里需要的也是最基本的——钛粉。
但在攀枝花方面已有情况和规划目标中，都没有“钛粉”出现，说明无论从技术需求、市场需求还是从技术成本、技术发展的角度，钛粉都还没纳入考虑。因此，考虑到尽管已从数年前国际上200～400美元/公斤降到现在国内200～400元/公斤却仍然不低的钛粉价格，和攀枝花已有的条件，最好还是通过就地取材来取得成本优势；因而首先需要规划钛粉的制备和生产。

在钛粉制备的
机械研磨、
气体雾化、
旋转电极、
氢化脱氢、
物化还原、
熔盐电解、
……
诸种工艺中，结合攀枝花已经拥有的资源和技术条件，可采用称为“HDH（氢化脱氢）方法”的如下技术路线：

海绵钛    氢化    球磨    脱氢

这里第一个工序海绵钛的制备，攀枝花已经具备相当产能：海绵钛年产2.75万吨，全国占比20%左右；只不过2015年实际产出仅仅0.81万吨，应该是由于技术附加值不够而导致市场占有率低下。而我们这里建议的方向恰好将为海绵钛的技术升值提供途径。
当然，攀枝花现有的海绵钛纯度多高尚不清楚，但由于金属热还原法生产出的海绵钛纯度要达到99.5%以上并无本质困难，加上上述后续工艺还有附带的纯化作用，因此作为上述技术路线第一个工序的海绵钛制备条件，可以认为已经具备。
第二个工序氢化。由于海绵钛较软，而且韧性较大，难以直接粉碎；但在一定温度下使海绵钛吸氢，即可变为高脆性的氢化钛，冷却后在常温下极易破碎。
第三个工序球磨。由于粉末状的氢化钛具有很高活性，因此球磨要在密封装置中、惰性气体保护下进行。
第四个工序脱氢。在真空中加热氢化钛粉末，即可脱氢；加热时要根据粉末的粒度、目数控制温度，以免温度过高结块。
显然，这里所有工序的查阅、研究和实现均无本质困难，很多条件都已现成或略加改造即可适用，整个流程成本也不会很高。
唯一可能的缺点是由于氢化钛的高脆性，这种HDH法制备的钛粉粒形不太规则，有棱角，易变形；但这个可能的缺点，
(1) 相对于后续需要熔融的工艺，不构成太大的问题，反而HDH法制备钛粉所具有的“纯度高”的优点能够得以产生效用；
(2) 也正由于氢化钛的高脆性，使得可在球磨时增加精磨工艺以产生更小粒度而克服此缺点。

减材成型：由于钛金属的物理性能过高过强，要精密成型的话，
(1) 机械切削对各种机床的工作强度和工作精度要求甚高，而大规模的机械设备费用和机械技术人才的要求都需较长时日才能争取达到；何况机械切削对高价值的钛金属的浪费太大，因而这类技术在建议方向的技术路线中首先搁置；
(2) 电蚀切削和热蚀切削经常是相互融合的，其优点是加工精密度高，缺点是工效较低，成型过程较慢；

无损成型：同样由于钛金属的物理性质，
(1) 填充成型用于钛材时要求温度过高（熔点1668℃）而使成本过高，且无法制造形状复杂的构件；
(2) 挤压成型用于钛材时要求压力过大（亚米级构件需3万吨以上水压机），导致成本过高，且无法制造形状复杂的构件；
(3) 保形成型中的冷压烧结也同理而成本过高；温压难以达到较高成型性能；流动温压可对较复杂形状成型，密度较高，工艺简单，成本较低，但该方法是较低温度（80～130℃）下压力成形固化的，金属微粒间并未熔融聚合，而成形后的烧结，则因热量难以在工件内充分且均匀地传导分布，微粒间仍难达到充分的熔融聚合，因而成型工件难以达到整体钛材切削成型后的强度，不太适宜于尺寸较大的工件成型；

增材成型：
(1) 构接成型适用于由分离元件、零件构成更大零件、部件的情况，这里不予考虑；
(2) 层叠成型适用于塑性更大的板、片、箔材的层压，对成型前材料性能高、成型后整件要求高的钛件而言，难以直接适用；何况层叠成型只宜加工施压过程中截面变化不太繁复的情况，这对于复杂外形的钛件也不适用；
(3) 熔聚成型，目前基本上还只有3D金属打印比较成熟；特别是3D激光钛材打印，我国和美国都已发展到相当的高度；但对于前面建议的“规模由小向大、范围由窄向广”的发展路线而言，其“以点成线，以线成面，以面成体”的成型方式有嫌效率过低，在形成数量和种类规模时有困难。

因此，现有的金属成形技术，都难以直接同时满足现在所需的如下要求：
精密成型，柔性定制，
性能不减，难度不加，
工效不低，成本不高。
2.2 成型技术融和创新
因此，基于攀枝花方面情况和以上分析，需要针对性创新设计一个钛金属精密增材成型的技术方案；当然，事实上，该方案对其他情况也有相当广泛程度的适用性，如其他种类固体热熔粉末的柔性高效成型。

首先，我们列出将要作为“精密增材成型”技术部分方法来源的成熟技术：
流动粉末温压成型(相关：流动粉末涂敷)
3D激光钛材打印(相关：激光熔覆)
等离子热蚀切削(相关：等离子喷涂、熔覆)
这也就表明，我们将要提出的技术有相应的成熟基础，不致出现“理想很丰满，现实很骨感”的脱节现象；当然，一些新的组合型、衔接性、融合性研究还是少不了的，关键是上述基础表明不会产生本质性的技术困难。
在这些基础上，我们提出一种融合“热蚀”、“填充”、“保形”、“层叠”、“熔聚”诸种成型技术的新型增材技术——区域层积融合成型：

2.3 技术工艺简要分析
只对两个工艺问题和两个技术优势作简要说明：
涂覆问题：
(1) 钛粉流体压注涂覆的可行性，一方面来自于2001年即已由德国Fraunhofer先进材料与制造研究所(IFAM)报道的流动温压成形(WFC：Warm Flow Compaction)技术【粉末粒度及其配比的搭配调节、热塑性润滑剂的含量；已用于DistaloyAE部分合金化合金钢粉、316L不锈钢粉、纯Ti粉、WC-Co硬金属粉末等成形】；另一方面，还可将钛粉与氢化物等可高温分解气化组分的低粘度粘合剂混合形成流体。
(2) 低粘度粘合剂喷注涂覆的可行性，同上可采用氢化物等可高温分解气化组分的低粘度粘合剂，这方面已有相当广泛的研究。

熔融问题：
(1) 为何不用等离子喷涂：等离子喷涂也是材料熔覆，为何要用现在这个方法而不直接用等离子喷涂逐层覆叠呢？原因是等离子喷涂时覆层增加缓慢，且覆层厚度控制较难；而先行涂覆后再等离子熔融则无此二缺点。
(2) 为何不用激光熔融：3D激光钛材打印时激光也是在对钛材（操作中是钛丝）熔融，为何这里不用激光而用等离子焰呢？这是因为，激光聚焦精细，但光强从而温度不便无级调节，因而即使通过调焦扩大光斑，但熔融范围仍难以扩大，只宜对点而难对面熔融。而且，温度调节不便也难以满足非均匀材料成型的要求，等离子焰则无这些问题。

性能优势：
(1) 整体强度高：首先，逐层的“涂敷熔融”使得层与层之间沿垂直方向充分融合；其次，致密分布的钛粉粒子、粒团在两个邻接层面中沿垂直方向上的相互微小错位，使得它们在等离子熔融时跨越层间界面，在上下层之间形成水平方向的相互熔接；最终，逐层融合而非整体烧结的结果，使得工件内任何一处沿任何方向相邻的钛粉粒子、粒团之间，都相互形成3维熔接，从而得到优于粉末冶金整体烧结、接近高成本的切削成型、挤压成型工件的整体强度。

(2) 复合性能高：对各个层面内各个不同区域涂敷不同种类、不同密度原料便可产生不同的复合性能，从而形成3维复合（区别于通常复合材料的2维复合）的金属材料制品，自然也就可以通过不同部位、不同层次、不同种类、不同密度、不同速度的送料控制、熔融控制而形成3维梯度的结构材料、功能材料！
工效优势：
(1) 制造柔性高：由于本方法是分区域逐层成型，因而要改变工件外形仅仅是改变“3D分层建模”的事，不涉及其他物理实体如模具等的改变，所有后续工序都是自动进行的，具有最高的制造柔性。

(2) 生产效率高：首先，本方法与3D激光钛材打印同属增材成型，因而材料利用率高，可达95%～99%；其次，3D激光钛材打印的成型方式是“以点成线，以线成面，以面成体”，从效率的角度来看并非最佳，其原因是激光光束从而激光焦点都过细、过小，因而只能如此分三阶段成型，不易形成数量和种类的规模。而本方法是跳过了“以点成线，以线成面”两个阶段，直接以分层涂敷“成面”，显然效率提高很多，使得协调甚至优化“性能”与“效率”这对天生的矛盾，变得现实可行。

3. 表面改性处理
至此，作为第二阶段“精密增材成型”结果的工件，已经具有“钛材”和“精密成型”两大技术附加值，已经可以作为高附加值的成品进入销售；但整个工序中已经包含等离子热熔设备，就不妨视需而再加一道等离子表面热处理的工序，使得增加不多成本却可为成品再增加相当可观的使用附加值和技术附加值！当然，如果认为有必要，甚至还可增加“激光表面改性处理”的工序。至于相应的表面改性处理优点优势和相应的技术工艺，早已充分丰富和成熟，故于此不再赘述。

六、投入
本方法和技术要铺开推行，所需投入主要有设备、厂房、原料、电力、人力这5个方面。
设备投入：这里的技术路线和技术方案为创新产生，因而没有完全现成的设备可用；但是，整个技术方案及相应工艺研究完成，费用当在500～1000万元之间；如果附加“生产型样机研制”的要求，则再加500万已经足够。研制完成后，一套机组的生产成本当在200万之内。这样的费用额度，而且基本上还是一次性投入，对于攀枝花方面，显然不难承受。

厂房投入：一套机组所需厂房面积可在50平方米之内；无论由产能过剩厂房调整使用还是另行新建，显然都不构成负担。
原料投入：海绵钛本来就是攀枝花方面大宗但却低值的产品，转用于精密成型、柔性定制，唯一的效果是大幅升值。
电力投入：相较于钛渣处理、钛锭生产电力消耗巨大却难提高产品价格的情况，这里的精密成型、柔性定制，无需太大电力消耗，每套机组所需电力当在10kW～30kW之内。
人力投入：人员数量需要不大，但需要培养、引进一些计算机、材料、机电、自动控制、热处理方面工程师、技术员等中、初级技术层次的人材，总体数量与机组数量大致形成2:1～3:1的比例便已足够。

七、市场
对于本方案实施后的市场前景分析，从可行性方面看，限于准备时间的仓促，无法提供全面、确切、详尽的报告；从必要性方面看，自有现成的专业机构、专业人员可以熟练完成，也不必由我们来越俎代庖；因此，这里只如下指出所需市场分析的几个主要角度即可。

下列均为本方案实现主体（如攀枝花钛材产品生产企业）之外的各个、各类主体，对“精密成型，柔性定制”的需求；而且，其中除对产品的直接需求外，还有很多是潜在的、可被影响而实现的替代需求（如替代其原用或拟用的其他方式成型的工件）：
生产常规循环，生产规模发展，产品种类扩张，
军民融合加强，科技需求提升，个体需求增长。
按此粗略检阅分析，即可对攀枝花方面确切无疑地得出总的定性结论：
“精密成型，柔性定制”可以产生或开发的市场，大超甚至远超现有初级产品的市场！

八、措施
如果真要通过实施“区域层积融和成型”的技术方案而进入“精密成型，柔性定制”的建议方向，实现钛产业“弯道超车，跨越发展”的发展目标，那么，与单纯的科技研究不同，必须要有行政措施的投入和介入。而且，这种投入和介入还不是如同通常一样仅仅限于“鼓励”、“支持”和“保障”，还必须有行政力量的组织实施。原因是：

1. 单纯的科技研究，目标、时间、路线、方式、效率、成本等方面的约束性都不太强，自由度较大甚至很大；但这个技术方案的实施，关系着攀枝花钛产业大部的产能调整、发展改向、技术升级、市场拓展、利润增长，若无统一的组织协调，容易发生研究单纯侧重于技术细节而与这些方面的需求脱节的情况。

2. 该技术方案虽然分解之后并不属于高难程度，但各个单项技术的应用方式、变通修改，以及各个单项技术之间的衔接关系和衔接方式，对于攀枝花方面技术储备的平均程度而言，仍有一定难度。若无行政力量跨部门、跨单位的组织协调，力量不容易凝聚，单靠单位、部门自身的主观能动性推动，容易陷入低效重复的状态。

3. 对方案的整体实施，需要有对计算机、材料、机加工、机电、自动控制、热处理等相关技术方面有一定程度综合了解的人才来作总体把握和技术、工艺的分解、协调、衔接、组合，这就不仅需要行政力量来帮助寻找、发掘、选拔这样的人才，而且，还得需要行政力量来赋予他（们）一些人、财、物方面的权力，并提供一些必要时寻求行政力量支持的特殊渠道。