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钛合金3D打印进一步渗透至消费电子领域 有望提振钛合金需求

一、钛合金行业概述

根据观研报告网发布的《中国钛合金行业发展深度分析与投资前景研究报告(2023-2030年)》显示,钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金,属于比较年轻的金属,从发现到现在也就六七十年的历史。钛合金材料具有质量轻、强度大、弹性小、耐高温和耐腐蚀等特点,主要应用于航空航天及尖端军工领域。目前随着技术的成熟,钛合金作为一种越来越常见的金属材料已开始在舰船、化工设备、海洋、体育器材、医用植入物、汽车、摩托车、自行车、建筑、生活用品等领域广泛应用。

钛及钛合金主要用途和相关性质

应用领域 用途 利用性质
航空 飞机框梁、起落架、紧固件等;发动机的风扇、压气机盘件和叶片等转动件 质量轻、比强度高、耐高温低温、耐腐蚀
航天 火箭发动机和人造卫星壳体、燃料箱、压力容器、载人宇宙飞船船舱等 质量轻、比强度高、耐高温低温、耐腐蚀
舰船 潜艇耐压壳体、螺旋桨、喷水推进器、海水换热系统、舰船泵、阀及管路等 耐腐蚀、比强度高
兵器 坦克和装甲车的装甲材料、榴炮弹零部件、反坦克导弹舱机和架体、迫击炮底座和支架等 质量轻、比强度高、耐腐蚀
化工冶金 用于氯碱、纯碱、塑料、石油化工、冶金、制盐等工业的电解槽、反应器、蒸馏塔、浓缩器、分离器、热交换器、管道、电级等 耐腐蚀、耐高温低温
海洋工程 海水淡化用管道、海洋石油钻探用泵、阀、管件等 耐腐蚀、比强度高
生物医疗 人工关节、人工植牙和正牙、心脏起搏器、心血管支架等 生物相容性好、耐腐蚀、无磁性、形状记忆功能
生活用品 眼镜架、手表、拐杖、钓鱼竿、厨具、数码产品壳体、工艺品、装饰品等 质量轻、比强度高、耐腐蚀
体育器材 高尔夫球头、网球拍、羽毛球拍、台球杆、滑雪杖、冰刀等 质量轻、比强度高、耐腐蚀

资料来源:观研天下数据中心整理

钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定a相,提高相转变温度的元素为a稳定元素,有铝、镁、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度,降低比重、增加弹性摸量有明显效果。②稳定B相、降低相变温度的元素为B稳定元素。又可分同晶型和共析型二种,前者有钼、铌、钒等:后者有铬、锰、铜、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。

观研天下分析师观点:由于钛合金的价格昂贵,目前多数材料需求方在采购过程中以比价采购为主,即在满足订货技术规范和进度的前提下最低价中标,但这样容易形成劣币驱逐良币的现象。尤其是对质量有严苛要求的航空航天及尖端军工领域来说其使用的钛合金产品在市场采购时不能以低价中标为导向而是应以优质的质量为前提,才能有助于生产企业的良性发展。

二、钛合金极具发展潜力,3D打印有望提振钛合金需求

1、打印材料是3D打印的核心,当前非金属与金属格局约为6:4

我国3D打印行业蓬勃发展,已形成较为完备的产业链,市场规模有望加速扩容,预计2026年将超千亿元。其中,打印材料是3D打印技术的关键基础,也是3D打印技术创新的核心要素。它的种类、物理和化学属性直接决定了其3D打印的成型工艺、设备结构、成型件的性能等,可以说,新的材料是3D打印技术几十年发展中的重要推力。3D打印的材料主要分成光敏树脂材料、工程塑料材料、金属材料、陶瓷材料、生物材料、橡胶材料、石墨烯材料等这几大类。现阶段我国3D打印仍旧以非金属类为主,非金属类材料包括工程塑料、光敏树脂、陶瓷材料和细胞生物原料。非金属与金属材料大致形成6:4的格局,且国内在3D打印原材料方面的生产企业较少,特别是金属材料方面,仍依赖进口。

非金属材料具备无模化和可定制的优势,适用于从原型制造到生物医学的各个领域,尤其是良好的生物相容性使得其在个性化医疗产品和特殊工程中作用突出,但受限于材料性能以及成本和制造要求,当前非金属材料主要用于样品和模具的生产,量和价都很难起来;而金属3D打印除了具备同样的优势外,在打印效率和打印质量上相比传统金属加工工艺均有较为明显的提升,甚至能够完成传统工艺无法制造的高复杂度高精密度零部件的打印,同时还可以减少废料、避免材料浪费,符合可持续发展的要求,具有更大的发展潜力。

3D打印材料对比

材料

细分种类

特性

应用

金属材料

钛合金

强度高、耐蚀性好、耐热性高

飞机发动机压气机部件,以及火箭、导弹等各种结构件

钻铬合金

腐蚀性能和机械性能优异

-

不锈钢

耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀

适合打印尺寸较大的物品

工程塑料

ABS材料

强度高、韧性好、耐冲击

汽车、家电、电子消费品等领域

PC材料

高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲

电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域

光敏树脂材料

Somos 19120

低留灰率、高精度

汽车、家电、电子消费品等领域

Somos Next

韧性好、精度和表面质量佳

陶瓷材料

陶瓷

高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等

航空航天、汽车、生物等领域

复合材料

碳纤维复合材料

将单一材料与碳纤维混合,综合提升产品的强度、粘合度、耐热度,同时可以优化产品重量等物理性质

电子消费品、家电、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域

高分子复合材料

耐高温、耐腐蚀、高阻燃性、优异的力学性能

汽车制造、航空航天、医疗器械等领域

资料来源:观研天下数据中心整理

2、钛合金发展最快、份额最高,未来份额有望进一步提升

各种不同的金属都可以以粉末形式用于通过3D打印制造零件,目前市场上常见的金属3D打印材料主要集中在钛合金、铝合金及不锈钢领域,其中钛合金的发展最快、份额最高。

各种不同的金属都可以以粉末形式用于通过3D打印制造零件,目前市场上常见的金属3D打印材料主要集中在钛合金、铝合金及不锈钢领域,其中钛合金的发展最快、份额最高。

资料来源:智慧芽、观研天下整理

相较于其他材料,钛合金具有比强度高、高温力学性能和抗蠕变性能好、耐腐蚀性能好等优良的综合性能,被认为是最适合制备成为粉末的金属材料。材料性能方面,粉末质量是影响最终打印部件结构及性能质量以及使用成熟度的关键因素之一,若粉末或者工艺参数选择不当,成形件中容易出现球化、裂纹、孔隙以及翘曲变形等缺陷,严重影响其成形精度和力学性能。通常粉末质量越好、一致性越高、 波动越小、粒径越小,其打印出的产品致密性、机械性能越好。

钛合金材料在3D打印材料中的优势

排序 优势分析
1 比强度高钛合金的密度仅为钢的60%,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些鎬强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制造出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。目前飞机的发动机构件、髁、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
2 热强度高钛合金的使用温度比铝合金高几百度,可在450°C~500°C的温度下长期工作。而铝合金的工作温度则在200°C以下。
3 抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢,对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。
4 低温性能好钛合金在低温下仍能保持其力学性能。比如TA7,在-253°C下还能保持一定的塑性。 因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

资料来源:观研天下数据中心整理

目前我国钛合金粉末综合质量略逊于国外,尤其在航空航天等高端领域,3D打印使用的高品质钛合金粉末还主要依赖进口,国内自产的钛合金粉末还存在粒径较大、氧含量高、不同批次粉末质量不稳定等问题,难以满足关键部件3D打印要求。此外,其制造成本也一直居高不下,3D打印用钛粉价格远高于普通钛金属材料,据艾瑞咨询数据,3D打印用钛粉约为180万元/吨,而航空用钛材价格约为20万元/吨(截至2022年10月)。短期看,我国钛合金粉末仍面临综合性能及制造成本痛点,但随着相关技术的不断突破与生产效率的提升,钛合金粉末有望实现持续的降本增效,在3D打印材料中份额有望进一步提升。

我国钛合金粉末质量与国外存在一定差距

- 国外水平 国内水平
粉末粒径 6-60微米产品粒径数值波动小 15-55微米产品粒径数值波动大
异质夹杂
流动性 35.1s/50g 26.8s/50g
一致性 5.3 0.7
微量元素 波动小 波动大

资料来源:观研天下数据中心整理

三、产业链上多家企业加码布局,钛合金加速渗透

1、钛合金3D打印材料正在进一步渗透至消费电子领域

近年来,钛合金3D打印材料已经在航空航天、国防军事、生物医学、汽车高铁等高精尖领域展示了广阔的应用前景,当前正在进一步渗透至消费电子领域。钛合金在高强度、轻量化、耐腐蚀等方面具备显著优势,有助于消费电子产品的轻薄化与耐久性。同时,相比减法制造工艺(CNC工艺)在面临结构复杂的钛合金件时加工难度大、良品率低的问题,3D打印对复杂结构低成本敏感性的优势也愈发凸显。

2023年以来,钛合金3D打印材料在折叠手机中的亮相惊艳全场。数据显示,此前最轻薄的折叠屏手机华为MateX3(素皮版)的厚度为11.91mm、重量为244.19g,而应用3D打印技术的荣耀MagicV2(雅黑素皮版)的厚度、重量分别为10.54mm、235.60g,在产品轻量化上实现了突破。随着材料、工艺的改进以及制造端成本的逐渐降低,未来该技术势必将掀起消费电子市场新革命。

2、苹果、华为、三星、OPPO等上市公司加快布局

当前苹果正在积极引入3D打印技术,从其专利储备和已经发布的Apple watch UItra 配备上看,使用钛合金制作手机中框有可能成为苹果下一代手机创新点之一。截至2022年12月,苹果公司已累计获得钛合金材料相关专利8项,预计今年新款产品部分钛金属机构件将采用3D列印技术。

此外,目前三星、华为、OPPO等公司均计划在下一代产品中使用钛合金技术。三星、OPPO等公司已经开始加速与供应链沟通、测试,试图在下一代产品中使用钛合金技术,而荣耀等厂商近日发布的折叠屏手机的铰链轴盖部分,也已采用了钛合金3D打印工艺。

产业链上,多家上市公司宣布加码产能建设。铂力特表示,公司构建了较为完整的金属3D打印产业生态链。在接待机构调研时,公司表示,在技术研发领域,公司将不断加大研发投入,实现新的突破,积极探索行业需求与技术前沿。从零件结构、材料、尺寸、性能等方面持续攻坚克难,并不断丰富工艺技术路线,完善打印材料种类,拓展打印设备尺寸能力,保持技术先进性,形成系统长久的企业核心竞争力;华曙高科表示,公司建立了自主可控的3D打印技术体系;锐科激光表示,公司增材制造领域划分进入战略业务,3D打印等表面处理业务发展态势良好,已有批量订单。

四、我国高端钛精矿产量不足,进而影响钛合金价格

钛合金是一种难以加工的金属,由于钛在高温条件下化学活性小,其冶炼技术及操作环境十分苛刻,必须要在高温、真空条件下进行冶炼,温度常达到800℃以上,相比于钢铁冶炼要困难许多。因此虽然其储量丰富,但钛合金的价格却远超于其它的材料,铁合金每千克不超过9元,铜每千克不超过50元,而钛合金最高价格可达300元,其中民用的钛合金在180-240元,而军用的钛合金每千克不低于500元,甚至可达1300元。

市场供需关系是影响钛合金材料价格的重要因素之一。此外,钛原材料价格也非常重要。钛是一种稀有金属,当前全球钛矿资源主要分布在中国、澳大利亚、印度等国家,开采成本较高,而且只有少数国家能够开采,所以钛原材料价格波动较大,进而影响钛合金价格。

全球钛矿资源储量

排序

国家

钛矿资源储量(TiO­2计、万吨)

钛铁矿储量占比

金红石

储量合计

储量占比

1

澳大利亚

16000

3100

19100

27.4%

2

中国

19000

-

19000

27.2%

3

印度

8500

740

9240

13.2%

4

巴西

4300

-

4300

6.2%

5

挪威

3700

-

3700

5.3%

6

南非

3000

650

3650

5.2%

7

加拿大

3100

-

3100

4.4%

8

莫桑比克

2600

89

2689

3.9%

9

马达加斯加

2200

52

2252

3.2%

10

乌克兰

590

250

840

1.2%

11

美国

200

-

200

0.3%

12

越南

160

-

160

0.2%

13

肯尼亚

39

17

56

0.1%

14

塞拉利昂

-

49

49

0.1%

15

塞内加尔

-

-

-

-%

16

其他国家

1400

-

1400

2.0%

合计

64789

4947

69736

100.0%

资料来源:观研天下数据中心整理

具体到我国,主要有三种类型的钛矿资源:钛铁矿砂矿、钛铁矿岩矿和金红石岩矿,我国探明的钛资源分布在21个省(自治区、直辖市)共108个矿区,钛矿储量基础(以TiOz计)7.4747亿吨,储量(以TiOz计)1.5985亿吨。但由于我国钛矿贫矿多,富矿少,整体品位偏低:钛铁矿平均品位一般为 5%~10%,金红石平均品位一般为1%~5%,多在1%~2%。同时国内选矿技术尚不成熟,导致我国高端钛精矿产量不足,综合利用率低,无法满足国内的钛矿需求,因此,中国对高品位优质钛矿的需求主要依赖进口,对外依存度高达 40%。2018年至 2023年,国产钛矿、进口钛矿、金红石价格均总体呈现上行趋势,国产钛矿平均价格从约 1000 元/吨涨到约 2000元/吨,进口钛矿价格从200美元/吨左右涨到400美元/吨左右,金红石价格从4000元/吨左右涨到13000元/吨左右。在总体供不应求的趋势下,可以预计我国钛合金价格未来仍将呈上行趋势。

观研天下分析师观点:长期以来,产量是影响钛合金行业价格波动的主要因素,但随着下游需求领域的发展,尤其是以航空航天为代表的高端钛材应用占比逐年提升未来3-5年高端需求将主导价格走势,产量决定价格走势的时期已经过去。(LZC

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