Титан, его сплавы и при чем тут iPhone

Еще с осени прошлого года в сети Интернет начали ходить слухи о том, что компания Apple планирует серьезный редизайн своих новых iPhone 15. Для самых элитных моделей линейки – iPhone 15 Pro и iPhone 15 Pro Max - пророчили смену материалов корпуса, и основным претендентом для использования в этом качестве был титан. В сентябре 2023 года Apple провела свою традиционную презентацию новинок, где прогнозы частично подтвердились. «Частично» - потому что iPhone 15 титановый корпус не получил: из титана (точнее, титанового сплава) изготовили только внешнюю рамку.

«Титан класса 5» сменил нержавеющую медицинскую сталь, которая была в составе корпусов премиальных версий смартфона, начиная с модели X и до четырнадцатого поколения. По заявлению купертиновцев, это позволило сделать Pro-версии устройства самыми легкими за все время существования данной линейки, при этом без потери прочностных качеств изделий. По факту выхода iPhone 15 из титана на рынок у такого технического решения появились как ярые поклонники, так и беспощадные антагонисты. Статьи по этому поводу наводнили страницы сайтов, а ролики с восхвалением или порицанием Apple заполонили каналы YouTube профессиональных обзорщиков и блогеров-любителей.

Что ж, наступила пора поразбираться с этой темой с материаловедческой точки зрения и понять, так ли уж необходим титан в iPhone. Отмечу сразу, что я не имею ни явной антипатии, ни какого-то тяготения к iPhone и другой продукции «яблочной компании», поэтому попытаюсь взглянуть на вопрос использования титана, стали и других сплавов в корпусах смартфонов этого бренда максимально объективно, основывая свои выводы исключительно с точки зрения технологичности изготовления и свойств используемых металлов. Все, что приведено ниже – исключительно мое мнение, которое не претендует на абсолютную истину. Так что оставайтесь с нами, должно быть интересно! 😊

Что такое титан и каковы особенности его производства

О некоторых высокопрочных материалах, в том числе титане и его сплавах, уже упоминалось в одной из публикаций на нашем сайте, с которой вы можете ознакомиться: Какой металл самый прочный? Виды, классификация и применение. Там были изложены только основные физические свойства материалов, без детализации технологий и эксплуатационных параметров. А они у титана весьма нетривиальны.

Итак, начнем с ключевых характеристик, которые во многом и определили изначальное применение этого элемента в промышленности. Титан (в Периодической системе обозначается как Ti) – серебристо-белый металл с низкой плотностью (4,5 г/см³), высокой температурой плавления (1672 °С), высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Именно благодаря этим показателям (прежде всего высокой удельной прочности – отношению временного сопротивления к плотности) титан и нашел широкое применение в авиа- и ракетостроении. Кроме того, все более обширное использование данного металла было обусловлено и его распространенностью в земной коре – среди металлов по объемам залежей (0,6%) титан уступает только алюминию, железу и магнию. В свободном виде этот металл в природе не встречается – только в виде окислов и других соединений. Наиболее известные руды титана – ильменит (FeTiO₃), титанит (CaTiSiO₅), рутил (TiO₂). Крупные месторождения находятся в Китае, Австралии, Канаде, Индии, США, Бразилии, ЮАР и других странах. Наибольшими запасами титановых руд среди европейских государств обладает Украина.

Впервые металлический титан был получен еще в 1910 году американским ученым М. А. Хантером. Однако промышленное изготовление и использование этого металла началось лишь в 40-х годах прошлого столетия. Это было обусловлено чрезвычайной сложностью получения технически чистого титана при имеющемся в те времена наборе оборудования и технологий. Этот металл является очень активным химическим элементом, поглощает атмосферные газы с образованием хрупких, непригодных к использованию соединений.

Нельзя сказать, что сейчас добыча и переработка титаносодержащих материалов сильно упростились. Изготовление титановых полуфабрикатов невозможно без высокотемпературных и химических воздействий, весьма дорогостоящих и неэкологичных. Ключевая технология – хлорирование рудных концентратов, при котором в специальных хлораторах получают чистый TiCl₄. После разделения хлоридов и очистки хлорид титана поступает в восстановительные аппараты, где путем магниетермического или натриетермического восстановления в среде инертных газов получают губчатый титан (другое название - титановая губка). Губчатый титан натриетермического восстановления впоследствии очищают путем гидрометаллургической обработки, а титановую губку, полученную магниетермическим методом, подвергают более дорогой и менее производительной очистке путем вакуумной сепарации.

Вот так вкратце выглядит схема производства, и это еще далеко не конец, поскольку титановая губка – всего лишь полупродукт для получения технического титана и титановых сплавов. В дальнейшем губчатый титан поступает на предприятия цветной металлургии или машиностроительные заводы, где его переплавляют в вакуумно-дуговых печах с нерасходуемыми графитовыми или расходуемыми титановыми электродами, после чего изготавливают металлоизделия путем литья или методами пластической деформации. Также применяют технологии порошковой металлургии. Отдельным направлением является производство титаносодержащих ферросплавов для легирования стали и других материалов.

Свойства и области применения титана и его сплавов

Сложность получения титана обуславливает весьма высокую себестоимость производства и, соответственно, цену данного металла и его соединений. Поэтому они прежде всего используются в тех условиях, где необходимы их уникальные физические и химические свойства – способность работать в широком интервале температур (до 600°С и более), высокая коррозионная стойкость (как в атмосферном воздухе, так и в растворах хлоридов, солей и других химических соединений), высокая удельная прочность. Такие характеристики весьма востребованы в космической отрасли, авиационной, химической, медицинской и энергетической промышленности, автомобильном и специальном машиностроении. И, на мой взгляд, эти параметры являются чрезвычайно избыточными для применения таких материалов в качестве корпусов мобильных телефонов.

Титановые сплавы в настоящее время применяются значительно более широко, чем технический титан, благодаря тому, что легирование такими элементами, как железо, ванадий, молибден, ниобий, алюминий, марганец, хром и т.д. значительно повышает механическую прочность, жаропрочность и другие характеристики. Титановые сплавы классифицируют по структуре на три основные группы:

• α-сплавы. К ним относится технически чистый титан и сплавы титана с алюминием. Они не охрупчиваются после термической обработки и достаточно малопластичны.
• β-сплавы. Такие соединения при нагреве не испытывают фазовых превращений, наиболее пластичны, но наименее прочны.
• α+β-сплавы. Эти сплавы достаточно универсальны, хорошо поддаются пластической деформации ковкой и штамповкой, являются более прочными, чем однофазные, и при этом практически не охрупчиваются в процессе термообработки (только в особых условиях выделяется хрупкая ω-фаза).

Изготовление конструктивных элементов – основное назначение титановых сплавов, поэтому именно сплавы α+β имеют наиболее обширное применение в промышленности. Кстати, «титан класса 5», который используется в актуальной версии iPhone Pro – ничто иное как деформируемый α+β-сплав, который уже много десятилетий выпускается в прутках и заготовке в соответствии с американским стандартом ASTM B348/B348M, а в листах и ленте – по ASTM B265/B265M. Материал с идентичным химическим составом производится по многим другим зарубежным стандартам, но обозначается иначе (например, UNS R56400 и Ti-6Al-4V). Ближайшим аналогом в странах СНГ является титановый сплав марки ВТ6, выпускаемый в соответствии с требованиями ГОСТ 19807.

Химический состав титанового сплава марки Grade 5 в соответствии с ASTM B348/B348M, %

ASTM Grade 5 и его аналоги являются самыми популярными титановыми сплавами из всех выпускаемых современной промышленностью. Материал обладает оптимальным соотношением прочности, плотности и коррозионной стойкости. После термической обработки его временное сопротивление (σв) превышает 1000-1100 МПа, однако относительное удлинение существенно снижается (обычно не превышает 10%), что делает сплав прочным, но малопластичным. При этом Ti-6Al-4V имеет низкую теплопроводность, что усложняет его обрабатываемость.

Ключевые сферы применения этой продукции:

• Аэрокосмическая и автомобильная отрасль – создание корпусов летательных аппаратов, кузовов и деталей трансмиссии спортивных автомобилей;
• Котельная и химическая индустрия – изготовление баллонов и емкостей под давлением, в т.ч. работающих при повышенных температурах и в агрессивных средах;
• Медицина – изготовление имплантатов и протезов;
• Энергетика – производство турбин;
• Оборонная промышленность – изготовление жестких элементов бронезащиты, глушителей огнестрельного оружия, деталей и конструкций военной техники и т.д.;
• Спортивная промышленность – производство рам велосипедов и других комплектующих профессионального спортивного оборудования, от которых требуется высокая прочность и износостойкость при низкой массе;
• Ну и теперь – Apple iPhone 15 Pro и Apple iPhone 15 Pro Max…

Вам не кажется, что в данном перечне что-то выбивается из общей картины?

Титан для iPhone: техническая целесообразность или «маркетинговый ход»?

Теперь, когда мы разобрались с техническими и технологическими нюансами, попробуем ответить, так ли необходим титановый сплав в качестве рамки смартфона. И есть ли какие-то более подходящие альтернативы?

Давайте просто проанализируем то, что о данном решении и его преимуществах говорит сам производитель. (Ради этого пришлось пересмотреть всю полуторачасовую презентацию Apple, надеюсь, оно того стоило 😊).

     1. Премиальность. «Это самый премиальный материал, который мы когда-либо использовали в корпусах iPhone…»

Если в данном случае имеется в виду дороговизна титана, то тут сложно спорить – он действительно очень сильно дороже и алюминия, и нержавеющей стали. Является ли это техническим или эксплуатационным преимуществом? На мой взгляд – нет, и этот пункт презентации Apple сделан исключительно для тех, кому важно, чтобы в продукте калифорнийцев все было «дорого-богато».

    2. Вес. «В то же время он намного легче…»

И это тоже верно, титановые Apple iPhone 15 Pro текущего года выпуска действительно имеют меньшую массу по сравнению с предыдущими, которые имели раму из нержавеющей стали. Например, iPhone 15 Pro Max весит 221 грамм, а прошлый iPhone 14 Pro Max - 240 граммов, т.е. снижение массы составило около 8%. Но есть одно «но»! Сейчас выпускается большое количество алюминиевых сплавов различного уровня прочности (в том числе и высокопрочные для авиационной и автомобильной промышленности), которые будут еще легче, ведь плотность алюминия - 2,7 г/см³, а титана - 4,33 г/см³. То есть при идентичных размерах рамка из алюминиевого соединения может быть почти на 50-60% легче титановой (в зависимости от степени легирования сплава). Но от этого, конечно, пострадает «премиальность».

   3. Красота. «Титан просто красив…»

Красота – это дело вкуса. На мой взгляд, алюминий визуально мало чем уступает, а нержавеющая сталь даже симпатичнее титана в корпусах телефонов, часов и других гаджетов. Опять же, в презентации речь идет о новом изделии, а кто знает, как будет выглядеть титановый корпус в новых iPhone через пару месяцев ношения в карманах с ключами и другой мелочевкой… Использование же защитного чехла вообще нивелирует всю красоту рамки.

   4. Тонкие рамки. «И мы представляем наитончайшие границы, которые когда-либо были у iPhone, что позволило нам уменьшить его размеры…»

К сожалению, данный тезис никак не могу прокомментировать, поскольку не обладаю информацией об ограничениях, которые не позволяли сделать эти рамки тоньше при использовании других материалов корпуса. Равно как и не видел расчетов, обосновывающих тонкие грани именно на том материале, который получили титановые iPhone 15 Pro и 15 Pro Max.

  5. Прочность и эксплуатационная стойкость. «Сплав, который имеет даже большее временное сопротивление, чем чистый титан, используют в тех применениях, где особенно критичным является баланс прочности, формуемости и веса. Фактически это тот же самый сплав, что используется в марсоходах…»

Если честно, я не знаю, какая конкретная марка стали использовалась в предыдущих iPhone Max и почему именно она. В обзорах вижу только упоминания нержавеющей стали «хирургического класса», но предполагаю, что в случае с этим железоуглеродистым сплавом специалисты Apple пошли по аналогичному сценарию, как и с титановым, и выбрали просто наиболее популярную марку медицинского качества (например, SAE 316, SAE 440 или что-то подобное). Но дело в том, что современная металлургия уже давно предлагает обширный набор конструкционных легированных сталей и сплавов на основе алюминия, которые по удельной прочности равны, а часто превосходят титановые, но при этом гораздо дешевле в изготовлении. Как я уже отмечал выше, титан и его соединения целесообразно использовать только там, где не обойтись без всего комплекса его специфических характеристик. Поэтому его применение в марсоходах не вызывает особых вопросов, а вот в корпусе мобильного телефона – вызывает, и достаточно много.

Да и нужна ли такая экстремальная прочность рамке смартфона? Я бы сказал, что нет, особенно если учесть минимальную пластичность и высокую жесткость титановых сплавов – при таком наборе свойств рамка может не гасить удары при падении или другом воздействии, а попросту передавать их дальше, более хрупким компонентам – экрану, заднему стеклу и внутренностям устройства. При этом титановая рамка будет оставаться неповрежденной, а вот все остальное… Как по мне, уж лучше смириться с царапиной или вмятиной на окантовке, чем менять дисплей. (Правда, говорят, ввиду переосмысления общей компоновки и конструкции, ремонт iPhone 15 должен быть несколько дешевле предшественников).

Об абсолютной «неповреждаемости» рамки iPhone 15 Pro и iPhone 15 Pro Max с титановым корпусом тоже, наверное, говорить преждевременно, особенно в цветных версиях смартфона, где титан окрашен путем нанесения PVD-покрытия. Производитель гордо рассказывает, что этот процесс занимает 14 часов. И это решение для меня выглядит несколько странно, ведь титан и его сплавы способны менять оттенок просто под воздействием высоких температур. При нагреве на поверхности титанового изделия образуются оксиды, которые в зависимости от применяемой температуры имеют разный состав и, как следствие, разные цвета. Такая окраска является гораздо более долговечной, чем любое PVD-покрытие. Да, цветовая гамма при этой технологии не особо обширна, но глядя на те цвета, которые предлагают купертиновцы в новых премиальных версиях своего смартфона, ее хватило бы «за глаза».

Ну и «вишенка на торте» - теплопроводность, которая у титана откровенно низкая. Видимо, в Apple об этом догадывались и ограничились только внешней рамкой, а всю начинку расположили на алюминиевом каркасе, который гораздо лучше отводит и рассеивает тепло процессора и других греющихся компонентов. В презентации калифорнийцы отдельно подчеркнули, как высокотехнологично они подошли к соединению алюминиевой основы и титановой рамы. Но, судя по отзывам пользователей, все же какие-то проблемы с теплоотводом у iPhone 15 Max есть. Производитель говорит, что это связано не с материалами, а с проблемами в операционной системе, и обещает все решить ближайшим обновлением. Так это или нет – покажет время.

Что я могу сказать в завершение этого длинного «теоретического изыскания»? iPhone всегда был изделием премиального класса, и компания Apple каждый раз это доказывает, выводя на рынок модели, в которых используются не только дорогие и производительные электронные комплектующие, но и высокомаржинальные материалы корпуса. Титановый iPhone – новое тому подтверждение. Оправдано ли это с точки зрения маркетинга и продаж? Безусловно. Новые «фишки» позволяют продавать смартфоны дороже предшественников, привлекать новую аудиторию. Целесообразно ли это с точки зрения прикладного материаловедения? Думаю, не особо. Но, как говорится, «результат – на табло». Пока что количество поклонников продукции компании из Купертино в мире не снижается, а значит, она движется в верном направлении, оправдывая ожидания пользователей. Посмотрим, что будет дальше.