Титан, його сплави та до чого тут iPhone

Ще з осені минулого року в мережі Інтернет почали ходити чутки про те, що компанія Apple планує серйозний редизайн своїх нових iPhone 15. Для найелітніших моделей лінійки – iPhone 15 Pro та iPhone 15 Pro Max – пророкували зміну матеріалів корпусу, й основним претендентом для такого використання був титан. У вересні 2023 Apple провела свою традиційну презентацію новинок, де прогнози частково підтвердилися. "Частково" - тому що iPhone 15 титановий корпус не отримав: з титану (точніше, титанового сплаву) виготовили лише зовнішню рамку.

"Титан класу 5" замінив нержавіючу медичну сталь, яка була у складі корпусів преміальних версій смартфона, починаючи з моделі X і до чотирнадцятого покоління. За заявою купертинівців, це дозволило зробити Pro-версії пристрою найлегшими за весь час існування даної лінійки, при цьому без втрати якості та міцності виробів. За фактом виходу iPhone 15 з титану на ринок у такого технічного рішення з'явилися як затяті шанувальники, так і нещадні антагоністи. Статті з цього приводу наповнили сторінки сайтів, а ролики з вихвалянням або осудом Apple заполонили канали YouTube професійних оглядачів та блогерів-аматорів.

Що ж, настав час порозбиратися з цією темою з матеріалознавчої точки зору та вирішити, чи так необхідний титан в iPhone. Одразу скажу, що я не маю ні явної антипатії, ні якогось тяжіння до iPhone та іншої продукції «яблучної компанії», тому спробую поглянути на питання використання титану, сталі та інших сплавів у корпусах смартфонів цього бренду максимально об'єктивно, ґрунтуючи свої висновки виключно з точки зору технологічності виготовлення та властивостей металів. Все, що наведено нижче – виключно моя думка, яка не претендує на абсолютну істину. Так що залишайтеся з нами, має бути цікаво! 😊

Що таке титан та які особливості його виробництва

Про деякі високоміцні матеріали, у тому числі титан і його сплави, вже згадувалося в одній з публікацій на нашому сайті, з якою ви можете ознайомитися: Який метал найміцніший? Види, класифікація та застосування . Там було викладено лише основні фізичні властивості матеріалів, без деталізації технологій та експлуатаційних параметрів. А вони у титану дуже нетривіальні.

Отже, почнемо з ключових характеристик, які багато в чому визначили початкове застосування цього елементу у промисловості. Титан (у Періодичній системі позначається як Ti) – сріблясто-білий метал із низькою густиною (4,5 г/см³), високою температурою плавлення (1672 °С), високою міцністю та корозійною стійкістю. Саме завдяки цим показникам (насамперед високій питомій міцності – відношенню тимчасового опору до густини) титан і знайшов широке застосування в авіа- та ракетобудуванні. Крім того, все більше використання даного металу було обумовлене і його поширеністю в земній корі – серед металів за обсягами покладів (0,6%) титан поступається лише алюмінію, залізу та магнію. У вільному вигляді цей метал у природі не зустрічається – лише у вигляді оксидів та інших сполук. Найбільш відомі руди титану - ільменіт (FeTiO₃), титаніт (CaTiSiO₅), рутил (TiO₂). Великі родовища знаходяться у Китаї, Австралії, Канаді, Індії, США, Бразилії, ПАР та інших країнах. Найбільші запаси титанових руд серед європейських держав має Україна.

Вперше металевий титан був отриманий ще у 1910 році американським вченим М. А. Хантером. Проте промислове виготовлення та використання цього металу розпочалося лише у 40-х роках минулого сторіччя. Це було зумовлено надзвичайною складністю отримання технічно чистого титану при наборі обладнання та технологій, що був на той час. Цей метал є дуже активним хімічним елементом, що поглинає атмосферні гази з утворенням крихких, непридатних до використання сполук.

Не можу сказати, що зараз видобуток і переробка матеріалів, що містять титан, сильно спростилися. Виготовлення титанових напівфабрикатів неможливе без високотемпературних та хімічних впливів, дуже дорогих та неекологічних. Ключова технологія – хлорування рудних концентратів, при якому у спеціальних хлораторах отримують чистий TiCl₄. Після поділу хлоридів та очищення хлорид титану надходить у відновлювальні апарати, де шляхом магнієтермічного або натрієтермічного відновлення в середовищі інертних газів одержують губчастий титан (інша назва – титанова губка). Губчастий титан натрієтермічного відновлення на наступному етапі очищують шляхом гідрометалургійної обробки, а титанову губку, отриману магнієтермічним методом, піддають більш дорогому і менш продуктивному очищенню шляхом вакуумної сепарації.

Ось так коротко виглядає схема виробництва, і це ще далеко не кінець, оскільки титанова губка – лише напівпродукт для отримання технічного титану та титанових сплавів. Надалі губчастий титан надходить на підприємства кольорової металургії або машинобудівні заводи, де його переплавляють у вакуумно-дугових печах з невитратними графітовими або витратними титановими електродами, після чого виготовляють металовироби шляхом лиття або методами пластичної деформації. Також застосовують технології порошкової металургії. Окремим напрямком є ​​виробництво титановмісних феросплавів для легування сталі та інших матеріалів.

Властивості та сфери застосування титану та його сплавів

Складність отримання титану обумовлює дуже високу собівартість і, відповідно, ціну металу та його сполук. Тому вони насамперед використовуються в тих умовах, де необхідні їх унікальні фізичні та хімічні властивості – здатність працювати в широкому інтервалі температур (до 600°С і більше), висока корозійна стійкість (як у атмосферному повітрі, так і в розчинах хлоридів, солей та інших хімічних сполук), висока питома міцність. Такі характеристики дуже затребувані у космічній галузі, авіаційній, хімічній, медичній та енергетичній промисловості, автомобільному та спеціальному машинобудуванні. І, на мій погляд, ці параметри є надзвичайно надмірними для застосування таких матеріалів у корпусах мобільних телефонів.

Титанові сплави в даний час застосовуються значно ширше, ніж технічний титан, завдяки тому, що легування такими елементами як залізо, ванадій, молібден, ніобій, алюміній, марганець, хром тощо значно підвищує механічну міцність, жароміцність та інші характеристики. Титанові сплави класифікують за структурою на три основні групи:

• α-сплави. До них відноситься технічно чистий титан та його сплави з алюмінієм. Вони не окрихчуються після термічної обробки і є досить малопластичними.
• β-сплави. Такі з'єднання при нагріванні не зазнають фазових перетворень, найбільш пластичні, але найменш міцні.
• α+β-сплави. Ці сплави досить універсальні, добре піддаються пластичній деформації куванням і штампуванням, є міцнішими, ніж однофазні, і при цьому практично не окрихчуються в процесі термообробки (тільки в особливих умовах виділяється ω-фаза).

Виготовлення конструктивних елементів - основне призначення титанових сплавів, тому саме сплави α+β мають найбільш широке застосування в промисловості. До речі, «титан класу 5», який використовується в актуальній версії iPhone Pro – ніщо інше як α+β-сплав, що деформується, який вже багато десятиліть випускається в прутках і заготовках відповідно до американського стандарту ASTM B348/B348M, а в листах і стрічці - за ASTM B265/B265M. Матеріал з ідентичним хімічним складом виробляється за багатьма іншими закордонними стандартами, але позначається інакше (наприклад, UNS R56400 та Ti-6Al-4V). Найближчим аналогом у країнах СНД є титановий сплав марки ВТ6, що випускається відповідно до вимог ГОСТ 19807.

 Хімічний склад титанового сплаву марки Grade 5 у відповідності з ASTM B348/B348M, %

ASTM Grade 5 та його аналоги є найпопулярнішими титановими сплавами з усіх, що випускаються сучасною промисловістю. Матеріал має оптимальне співвідношення міцності, густини та корозійної стійкості. Після термічної обробки його тимчасовий опір (σв) перевищує 1000-1100 МПа, проте відносне поздовження істотно знижується (зазвичай не перевищує 10%), що робить сплав міцним, але малопластичним. При цьому Ti-6Al-4V має низьку теплопровідність, що ускладнює його оброблюваність.

Ключові сфери застосування цієї продукції:

• Аерокосмічна та автомобільна галузь – створення корпусів літальних апаратів, кузовів та деталей трансмісії спортивних автомобілів;
• Котельна та хімічна індустрія – виготовлення балонів та посудин під тиском, у т.ч. працюючих за підвищених температур та в агресивних середовищах;
• Медицина – виготовлення імплантатів та протезів;
• Енергетика – виробництво турбін;
• Оборонна промисловість – виготовлення жорстких елементів бронезахисту, глушників вогнепальної зброї, деталей та конструкцій військової техніки тощо;
• Спортивна промисловість – виробництво рам велосипедів та інших комплектуючих професійного спортивного обладнання, від яких потрібна висока міцність та зносостійкість при низькій масі;
• Ну і тепер – Apple iPhone 15 Pro та Apple iPhone 15 Pro Max…

Вам не здається, що у цьому переліку щось вибивається із загальної картини?

Титан для iPhone: технічна доцільність чи «маркетинговий хід»?

Тепер, коли ми розібралися з технічними та технологічними нюансами, спробуємо відповісти, чи так необхідний титановий сплав у якості рамки смартфону. І чи є якісь більш відповідні альтернативи?

Давайте просто проаналізуємо те, що про це рішення та його переваги говорить сам виробник. (Заради цього довелося переглянути всю півторагодинну презентацію Apple, сподіваюся, воно того було варте 😊).

      1. Преміальність. "Це найбільш преміальний матеріал, який ми коли-небудь використовували в корпусах iPhone ..."

Якщо в даному випадку мається на увазі дорожнеча титану, то тут важко сперечатися - він дійсно значно дорожчий за алюміній та нержавіючу сталь. Чи це є технічною або експлуатаційною перевагою? На мій погляд – ні, і цей пункт презентації Apple зроблений виключно для тих, кому важливо, щоб у продукті каліфорнійців все було «дорого-багато».

     2. Вага. «Водночас він набагато легший…»

І це також є коректним, бо титанові Apple iPhone 15 Pro поточного року випуску справді мають меншу масу в порівнянні з попередніми, які мали раму з нержавіючої сталі. Наприклад, iPhone 15 Pro Max важить 221 грам, а минулий iPhone 14 Pro Max – 240 грамів, тобто зниження маси становить близько 8%. Але є одне «але»! Наразі випускається велика кількість алюмінієвих сплавів різного рівня міцності (у тому числі й високоміцні для авіаційної та автомобільної промисловості), які є ще легшими, адже густина алюмінію – 2,7 г/см³, а титану – 4,33 г/см³. Тобто при ідентичних розмірах рамка з алюмінієвої сполуки може бути майже на 50-60% легшою за титанову (залежно від ступеня легування сплаву). Але від цього, звісно, ​​постраждає «преміальність».

    3. Краса. "Титан просто гарний ..."

Краса – це справа смаку. На мій погляд, алюміній візуально мало чим поступається, а нержавіюча сталь навіть симпатичніша за титан у корпусах телефонів, годинників та інших гаджетів. Знову ж таки, у презентації йдеться про новий виріб, а хто знає, як виглядатиме титановий корпус в нових iPhone через пару місяців носіння в кишенях з ключами та іншим дріб'язком... Використання ж захисного чохла взагалі нівелює всю красу рамки.

    4. Тонкі крайки. «І ми представляємо найтонші крайки, які будь-коли були у iPhone, що дозволило нам зменшити його розміри…»

На жаль, цю тезу ніяк не можу прокоментувати, оскільки не маю інформації про обмеження, які не дозволяли зробити ці рамки тоншими при використанні інших матеріалів корпусу. Так само як і не бачив розрахунків, що обґрунтовують тонкі грані саме на тому матеріалі, який отримали титанові iPhone 15 Pro та 15 Pro Max.

    5. Міцність та експлуатаційна стійкість. «Сплав, який має навіть більший тимчасовий опір, ніж чистий титан, використовують у тих застосуваннях, де особливо критичним є баланс міцності, формуваності та ваги. Фактично це той самий сплав, що використовується в марсоходах…»

Якщо чесно, я не знаю, яка конкретна марка сталі використовувалася у попередніх iPhone Max та чому саме вона. В оглядах бачу лише згадки нержавіючої сталі «хірургічного класу», але припускаю, що у випадку із цим залізовуглецевим сплавом фахівці Apple пішли за аналогічним сценарієм, як і з титановим, й обрали просто найбільш популярну марку медичної якості (наприклад, SAE 316, SAE 440 або щось подібне). Але справа в тому, що сучасна металургія вже давно пропонує широкий набір конструкційних легованих сталей і сплавів на основі алюмінію, які за питомою міцністю є рівними із титановими, а часто перевершують їх, але є набагато дешевшими у виготовленні. Як я вже зазначав вище, титан та його сполуки доцільно використовувати лише там, де не обійтися без усього комплексу його специфічних характеристик. Тому його застосування в марсоходах не викликає особливих питань, а ось у корпусі мобільного телефону – викликає, й дуже багато.

Та й чи потрібна така екстремальна міцність рамці смартфону? Я б сказав, що ні, особливо якщо врахувати мінімальну пластичність і високу жорсткість титанових сплавів - при такому наборі властивостей рамка може не гасити удари при падінні або іншому впливі, а просто передавати їх далі, більш тендітним компонентам - екрану, задньому склу та нутрощам пристрою. При цьому титанова рамка залишатиметься непошкодженою, а ось все інше… Як на мене, краще вже змиритися з подряпиною або вм'ятиною на окантовці, ніж замінювати дисплей. (Щоправда, кажуть, через переосмислення загального компонування та конструкції, ремонт iPhone 15 повинен бути дещо дешевшим за попередників).

Про абсолютну "неушкоджуваність" рамки iPhone 15 Pro и iPhone 15 Pro Max з титановим корпусом теж, мабуть, говорити передчасно, особливо в кольорових версіях смартфону, де титан пофарбований шляхом нанесення PVD-покриття. Виробник гордо розповідає, що цей процес триває 14 годин. І це рішення для мене виглядає дещо дивним, адже титан та його сплави здатні змінювати відтінок просто під впливом високих температур. При нагріванні на поверхні титанового виробу утворюються оксиди, які в залежності від температури, що застосовується, мають різний склад і, як наслідок, різні кольори. Таке фарбування є набагато довговічнішим, ніж будь-яке PVD-покриття. Так, кольорова гама при цій технології не дуже широка, але дивлячись на ті кольори, які пропонують купертинівці в нових преміальних версіях свого смартфону, її вистачило б «за очі».

Ну і "вишенька на торті" - теплопровідність, яка у титану відверто низька. Мабуть, в Apple про це здогадувалися і обмежилися тільки зовнішньою рамкою, а всю начинку розташували на алюмінієвому каркасі, який краще відводить і розсіює тепло процесора та інших компонентів, що гріються. У презентації каліфорнійці окремо наголосили, як високотехнологічно вони підійшли до з'єднання алюмінієвої основи та титанової рами. Але, судячи з відгуків користувачів, все ж таки якісь проблеми з тепловідведенням у iPhone 15 Max є. Виробник каже, що це пов'язано не з матеріалами, а з проблемами в операційній системі, і обіцяє вирішити все найближчим оновленням. Так це чи ні – покаже час.

Що я можу сказати на завершення цього довгого «теоретичного дослідження»? iPhone завжди був виробом преміального класу, і компанія Apple кожного разу це доводить, виводячи на ринок моделі, в яких використовуються не тільки дорогі та продуктивні електронні комплектуючі, а й високомаржинальні матеріали корпусу. Титановий iPhone – нове тому підтвердження. Чи виправдано це з погляду маркетингу та продажів? Безперечно. Нові «фішки» дозволяють продавати смартфони дорожче за попередників, залучати нову аудиторію. Чи доцільно це з погляду прикладного матеріалознавства? Думаю, не дуже. Але, як кажуть, «результат – на табло». Поки що кількість шанувальників продукції компанії з Купертіно у світі не знижується, а отже, вона рухається у правильному напрямку, виправдовуючи очікування користувачів. Подивимося, що буде далі.