笔记本外壳材料之一神秘的“钛合金”

jack20030531 · 发表于 2009-6-26 11:05

笔者曾经专门追溯过有关ibm笔记本机壳使用钛合金的资料，包括ibm网站上的技术资料和媒体广告，发现基本都是一带而过，并未深入介绍。后来在51nb上看到有人报导用真机的机壳材料做仪器分析的数据（在此向追求真相和真理的人们致敬！），绝大多数是铝，钛（Ti）元素量少到可怜。再结合铝合金冶金方面的技术资料分析，结论是各种文案中所称“机壳使用钛合金制造”一说基本是以讹传讹，子虚乌有。

合金是指多种元素构成的，有金属性质（如金属光泽、塑性、韧性、导热、导电等性质）的材料。其命名都以重量百分比最大的元素为准，如铝合金中铝（Al）含量基本都在90 wt%（这里wt指重量）以上。自然钛合金就应该是以钛（Ti）元素为主要元素了。从上述仪器分析结果来看，至少所分析的样品是典型到不能再典型的铝合金。

如果ibm用的材料确实是铝合金，那么当年在铝合金中加入这少许的钛有何用意呢？难道就为了广告宣传的需要，制造“太空金属”的噱头么？

实际上ibm当年考虑用铝合金做机壳材质的时候，为了工艺性考虑才加入钛作为一种添加剂。笔记本外壳看上去形状简单，但是仔细观察，特别在内侧，有非常多的细节，而且这些细节的尺寸公差非常严格。一般用切削加工可以轻易地达到这种精度，但是成本自然不可接受。为了使用更低廉的压力铸造工艺，发挥铝合金熔点低，铸造工艺性好的优势，需要进一步改善铸造组织。

绝大多数金属材料（包括纯金属和合金）都是多晶结构，也就是说宏观上看是均匀连续的块体，但在金相显微镜下观察（一般放大倍率为80到100倍），就可以看到一个个形状不规则小格子，每一个小格子就是一个晶粒（就是小晶体）的断面。晶体的概念是指，材料内部，在微观上原子按特定规律分布的连续区域。晶体的尺寸可以很大，比如单晶冰糖，每一颗至少有1个立方厘米大小，可以认为是一个接近完美的晶体。多数情况下，合金材料中的晶粒尺寸都很小，直径在一百个微米左右。

搞冶金、金属材料成型加工专业的人们都了解这样一个常识，属于多晶材料的金属，其综合力学性能受晶粒粒径和粒径分布的影响极大。一般而言，晶粒越细小越均匀，材料的延伸率越大、韧性越好，越有利于强度特性的发挥。综合力学性能上去了，材料越强韧，自然就可以把器件做得更精巧。

那么如何获得细晶组织呢？多数合金材料的加工历史都至少包括一次自熔融的液态冷凝到固态的过程。如果随后不经过热处理或冷作处理，那么合金材料的晶粒尺寸就由这个冷凝过程决定。而铸造显然属于这样一个过程。复杂一点说，在这个过程中要控制晶粒大小，需要协调形核速率和晶体长大速率之间的关系。简单一点说，通过激冷、加入晶种等方法可以获得细晶组织。

铸造铝合金的力学性能相对较差，多是因为晶粒粗大的缘故。历史上曾经为铝合金研究过多种晶粒细化剂，其中钛的化合物，特别是TiC——碳化钛和TiB2——硼化钛是较早研究成功并获得应用的。其原理简单地说，就是向熔融铝合金中加入Ti（一般以Al-Ti-B的形式加入），在高温下Ti自发地与铝合金中存在的碳（C）（电解生产铝要使用碳电极，所以C是铝合金中可能存在的杂质元素）发生反应，生成碳化物，另外还与铝反应形成TiAl3，与硼反应形成TiB2。这些钛的化合物因其熔点高，生成后即以固体存在，在熔融液态金属中形成晶种，促进晶粒形核。当然具体的晶粒细化机理分析起来很复杂，还包括很多其他因素。

另外，TiC等还可以起到弥散强化的作用，进一步提高铸造铝合金的强度和弹性模量。

既然ibm从来没用过真正的钛合金做笔记本，那么有没有可能别家用过，或者将来用钛合金呢？

首先，但凡谁真用了钛合金做笔记本，谁都不会闷声不说。其次，钛合金这种东西本质上不适合用来做笔记本外壳。

钛合金是好东西，但也正如其他很多好东西一样，贵的要死。钛合金的昂贵，其原因与金银铂这些贵金属不同——钛的储量极大，而且分布相对集中，开采不成问题。电解冶炼能耗也不比铝合金多多少。但是钛合金的加工性能实在太差——又难炼、又难锻、又难焊。切削加工也不容易。钛合金的车、铣、磨都是要专门立课题攻关的。其难加工的原因都是与钛这种元素的特殊性质有关的，在此不多解释。总之大家有一个基本印象，就是钛合金的昂贵主要贵在加工成型上就行了。所以钛合金虽好，但其高昂的代价也导致应用相当狭窄，一般民品上很难见到用钛的。军品上也就是先进型号的战斗机、核潜艇上用一些，其他能用镍、不锈钢、铝合金代替的地方能不用就不用。波音、空客造飞机的时候，如果耐蚀、耐热、减重要求实在苛刻，才用钛合金替换一部分不锈钢。举个直观的例子，一颗火柴大小的钛合金铆钉价值人民币千元以上。想想看一个笔记本的D壳得用多少，受得了么！

除了价格高、难加工外，从应用出发，钛合金至少有两方面性能不适合做笔记本。

首先是软。一般而言，强度大的金属，其硬度也高，但是钛合金算是个特例。钛合金强度比铝合金高，但是其硬度相对较差。强度是指材料抗整体破断的能力，硬度是抵抗局部损伤，如压痕、划擦得能力。钛合金质软，易磨损，如果用于笔记本外壳，必须另加防护性涂装。而钛合金这种表面钝性极强的材料，涂装结合力是很难解决的问题。铝合金可以进行阳极氧化处理，阳极氧化膜质地坚硬，而且有微孔结构，与涂装的结合力很好。

其次是重。虽然飞机上常用钛来替代钢，获得减重效果（当然成本要提高），但是钛合金的密度仍然比铝合金大得多。钛的比重大概是4.5，制成合金之后变化也不大。铝合金比重大概在2.7左右。有人或许要说，钛合金比强度要比铝合金有优势，所以器件可以设计得更薄一些。但是要考虑到，在加工成型过程中，毛坯受到的加工力，往往远大于成品器件在使用中承受的载荷，特别是用压铸、锻造工艺生产的时候。这时，要么后期进行切削减薄（加工成本自然要翻着番地涨），要么忍受厚大器件的重量（自然有相当一部分材料是浪费）。这就是所谓短板效应，或瓶颈效应了。所以个人认为，为控制成本记，加工载荷和使用载荷之间取得良好平衡应该是一个很吸引人的研究题目。