摘要

　　熱傳導(dǎo)率低是導(dǎo)致鈦合金難切削的首要因素

　　在鈦合金眾多特性中，我們認為熱傳導(dǎo)率低是導(dǎo)致其難切削的首要因素。大部分鈦合金熱傳導(dǎo)率都較低，僅為鋼的16%左右，加工中的熱量集聚在切削區(qū)域，所產(chǎn)生的溫度可高達1000℃以上，使刀具刃口迅速磨損、崩裂和生成積屑瘤，縮短刀具使用壽命。同時，切削過程中產(chǎn)生的高溫破壞了鈦合金零件的表面完整性，導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴重減少其疲勞強度的加工硬化現(xiàn)象。我們認為，由于鈦合金的材料特性，手機端鈦合金零部件的導(dǎo)入對傳統(tǒng)CNC技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。

　　3D打印與鈦合金高適配，有望成為消費電子產(chǎn)品制造工藝新選項

　　與CNC相比，我們認為3D打印與鈦合金材料具有更高的適配性。從技術(shù)端來看，鈦合金3D打印依據(jù)零件三維模型快速制造，不需要專用型模具，應(yīng)用粉狀鈦合金材料，用逐層打印的方法來建構(gòu)零件，從技術(shù)路徑上規(guī)避了對鈦合金進行切削的弊端。從產(chǎn)品端來看，3D打印鈦合金零件力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造工藝，我們認為主要系3D打印零件擁有更好的一致性。從設(shè)計自由度來看，3D打印可自由設(shè)計三維模型，有效加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，更好解決鈦合金材料成型問題。從環(huán)保節(jié)能角度來看，3D打印鈦合金能夠節(jié)省材料、降低能耗、減輕污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

　　MIM脫穎而出，成為較為理想的鈦合金零件制備工藝

　　MIM結(jié)合粉末冶金與塑料注塑成形兩大技術(shù)的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)金屬粉末模壓成形工藝在產(chǎn)品形狀上的限制，同時利用了塑料注塑成形技術(shù)大批量、高效率成形具有復(fù)雜形狀的零件的特點，成為現(xiàn)代制造高質(zhì)量精密零件的一項近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金、機加工和精密鑄造等加工方法無法比擬的優(yōu)勢。同時，適用于MIM的金屬材料范圍廣泛，包括鈦合金材料，同樣從技術(shù)路徑上規(guī)避了對鈦合金進行切削的弊端。目前MIM鈦合金材料研究取得一定進展，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍存在鈦合金粉末性能要求、粘結(jié)劑選擇等瓶頸。我們認為隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與突破，伴隨生產(chǎn)效率的提升，有望逐步打破MIM鈦合金材料產(chǎn)業(yè)化瓶頸。

　　3D打印與CNC互補替代，MIM或成為3D打印有效補充

　　目前鈦合金加工工藝主要包括CNC切削磨削、3D金屬打印兩種，手機端，前者主要用于手機邊框加工，后者主要用于手機結(jié)構(gòu)件加工。我們認為短期看CNC加工和3D打印互補為主，替代關(guān)系現(xiàn)階段演繹并不明顯，有望充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同推動鈦合金在3C領(lǐng)域的應(yīng)用，長期看3D打印有望部分替代CNC。而MIM鈦合金和3D打印鈦合金適配不同應(yīng)用場景，3D打印鈦合金在大尺寸、高復(fù)雜程度的加工中更具優(yōu)勢，MIM適用于大批量生產(chǎn)的小型、精密、具備復(fù)雜三維幾何形狀及特殊要求的金屬零件，或成為3D打印有效補充。

　　鈦合金材料已在高端旗艦機率先獲得使用，我們認為隨著材料成本下降和產(chǎn)品量產(chǎn)形成規(guī)模效應(yīng)，或在中端產(chǎn)品中逐步滲透，成長空間有望持續(xù)打開。

　　我們認為鈦合金目前成為3D打印導(dǎo)入消費電子的切入點，同時在大廠引領(lǐng)下，3C領(lǐng)域有望持續(xù)提振鈦合金需求。而在本次周思考中，我們將聚焦鈦合金工藝端，論述鈦合金難切削的具體原因、3D打印與MIM相較于傳統(tǒng)CNC的工藝優(yōu)勢，并討論3D打印與CNC/MIM之間的關(guān)系。

　　1.特性決定工藝：鈦合金難切削，3D打印&MIM成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展新趨勢

　　熱傳導(dǎo)率低是導(dǎo)致鈦合金難切削的首要因素。鈦合金加工的切削力略高于同等硬度的鋼，但鈦合金的特殊理化性質(zhì)造成切削難度陡增。由于鈦合金具有熱導(dǎo)率低、彈性模量小和高溫化學(xué)活性高等特點，在切削加工過程中存在切削溫度高、切削變形和冷硬現(xiàn)象嚴重及易粘刀等現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具易磨損、壽命減短，并直接影響零件尺寸精度及表面粗糙度，使鈦合金成為典型的難加工材料。在鈦合金眾多特性中，我們認為熱傳導(dǎo)率低是導(dǎo)致其難切削的首要因素。大部分鈦合金熱傳導(dǎo)率都較低，僅為鋼的16%左右，加工中的熱量集聚在切削區(qū)域，所產(chǎn)生的溫度可高達1000℃以上，使刀具刃口迅速磨損、崩裂和生成積屑瘤，縮短刀具使用壽命。同時，切削過程中產(chǎn)生的高溫破壞了鈦合金零件的表面完整性，導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴重減少其疲勞強度的加工硬化現(xiàn)象。

　　手機端鈦合金零部件的導(dǎo)入對傳統(tǒng)CNC技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。由于鈦合金的材料特性，采用切削磨削加工鈦合金制品存在良率低、耗時長，設(shè)備需求量大等難點，以手機中框為例，據(jù)艾邦高分子數(shù)據(jù)，鈦合金手機中框整體良率約為30%-40%，遠低于鋁合金中框的80%；且加工時間長，約為鋁合金的3-4倍。

　　與CNC相比，我們認為3D打印與鈦合金材料具有更高的適配性，有望成為消費電子產(chǎn)品制造工藝新選項。從技術(shù)端來看，鈦合金3D打印依據(jù)零件三維模型快速制造，不需要專用型模具，應(yīng)用粉狀鈦合金材料，用逐層打印的方法來建構(gòu)零件，從技術(shù)路徑上規(guī)避了對鈦合金進行切削的弊端。從產(chǎn)品端來看，3D打印鈦合金零件力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛造工藝，我們認為主要系3D打印零件擁有更好的一致性。從設(shè)計自由度來看，3D打印可自由設(shè)計三維模型，有效加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，更好解決鈦合金材料成型問題。從環(huán)保節(jié)能角度來看，3D打印鈦合金能夠節(jié)省材料、降低能耗、減輕污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

　　金屬注射成型（metal Injection Molding，簡稱MIM），是一種將金屬粉末與粘結(jié)劑混合進行注射成型的方法，將粉末冶金和塑料注塑成型融為一體，主要的工藝流程分為四個階段，包括造粒、注射、脫脂和燒結(jié)。

　　MIM能夠以較低成本大批量生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高維度、高精度零部件，我們認為MIM是一種較為理想的制備鈦合金零件的工藝，符合中長期技術(shù)發(fā)展趨勢。MIM結(jié)合粉末冶金與塑料注塑成形兩大技術(shù)的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)金屬粉末模壓成形工藝在產(chǎn)品形狀上的限制，同時利用了塑料注塑成形技術(shù)大批量、高效率成形具有復(fù)雜形狀的零件的特點，成為現(xiàn)代制造高質(zhì)量精密零件的一項近凈成形技術(shù)，具有常規(guī)粉末冶金、機加工和精密鑄造等加工方法無法比擬的優(yōu)勢。同時，適用于MIM的金屬材料范圍廣泛，包括鈦合金材料，同樣從技術(shù)路徑上規(guī)避了對鈦合金進行切削的弊端。目前MIM鈦合金材料研究取得一定進展，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍存在一些瓶頸：

　　1）鈦合金粉末性能要求：國內(nèi)球形鈦及鈦合金粉末生產(chǎn)廠家近幾年雖發(fā)展迅速，但距離全球領(lǐng)先技術(shù)仍有一定差距，進口粉末價格昂貴；

　　2）粘結(jié)劑的選擇和脫脂去除工藝：粘結(jié)劑的選擇決定了粉末填充量的大小，對燒結(jié)后產(chǎn)品致密度、收縮率、表面粗糙度有直接影響，而高效的脫脂去除工藝有助于降低雜質(zhì)元素和提高產(chǎn)品性能；

　　3）燒結(jié)工藝優(yōu)化及設(shè)備要求：由于鈦合金高活性的特點，燒結(jié)時對溫度和氧含量的控制至關(guān)重要，對燒結(jié)爐提出更高的要求。

　　我們認為隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與突破，伴隨生產(chǎn)效率的提升，有望逐步打破MIM鈦合金材料產(chǎn)業(yè)化瓶頸。

　　2.鈦合金工藝關(guān)系討論：3D打印與CNC互補替代，MIM或成為3D打印有效補充

　　3D打印與CNC為互補替代關(guān)系，短期以互補為主。目前鈦合金加工工藝主要包括CNC切削磨削、3D金屬打印兩種，手機端，前者主要用于手機邊框加工，后者主要用于手機結(jié)構(gòu)件加工。CNC加工具有表面光滑度高、生產(chǎn)效率高、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點，但由于鈦合金熱傳導(dǎo)率低等特殊理化性能，相較鋁合金，采用CNC加工的鈦合金制品存在良率低、耗時長、設(shè)備需求量大等難點，同時鈦合金對刀具要求更高，刀具損耗大壽命短。作為鈦合金加工新方向，金屬3D打印依據(jù)零件三維模型快速制造，不需要專用型模具，具有便捷性高、高精度、低成本的特點。此外，金屬3D打印還需要與CNC切削磨削相結(jié)合提高表面光滑度。我們認為短期看CNC加工和3D打印互補為主，替代關(guān)系現(xiàn)階段演繹并不明顯，有望充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，共同推動鈦合金在3C領(lǐng)域的應(yīng)用，長期看3D打印有望部分替代CNC。

　　MIM適用于大批量生產(chǎn)的小型、精密、具備復(fù)雜三維幾何形狀及特殊要求的金屬零件，或成為3D打印有效補充。從生產(chǎn)角度來看，由于MIM工藝需要通過模具成型，而模具存在成本，因此MIM工藝要求金屬零件在一定批量的前提下，才具有經(jīng)濟價值，對于原型制造和小批量生產(chǎn)，往往更適用3D打印。從零件尺寸來看，由于脫脂的限制，MIM不適宜做大尺寸和厚實的零件，一般MIM零件的質(zhì)量在500g以下范圍，對于大尺寸零件，傾向于選擇3D打印工藝。我們認為MIM鈦合金和3D打印鈦合金適配不同應(yīng)用場景，3D打印鈦合金在大尺寸、高復(fù)雜程度的加工中更具優(yōu)勢，MIM鈦合金材料產(chǎn)業(yè)化之后，或在大批量和小型化兩個方面對3D打印形成有效補充。

　　鈦合金材料已在高端旗艦機率先獲得使用，我們認為隨著材料成本下降和產(chǎn)品量產(chǎn)形成規(guī)模效應(yīng)，或在中端產(chǎn)品中逐步滲透，成長空間有望持續(xù)打開。