一、鈦合金簡(jiǎn)介

鈦合金是航空工業(yè)中不可缺少的一種新型結(jié)構(gòu)材料，在新一代先進(jìn)飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)及其發(fā)動(dòng)機(jī)中鈦合金的用量在30%以上。鈦合金在航空飛行器中的含量，成為衡量飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的重要標(biāo)志之一。

鈦合金將鈦為基礎(chǔ)，融入鋁、錫、釩、鉬、鈮等其他元素或者材料所構(gòu)成的復(fù)合金屬稱為鈦合金。相比航空航天其他材料，鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、抗腐蝕性能高、高溫性能以及無(wú)磁性等性能，在減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率、改善結(jié)構(gòu)可靠性、提高機(jī)體壽命、滿足高溫及腐蝕環(huán)境等方面具有不可替代的作用，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤(pán)和葉片等重要構(gòu)件的*材料，被譽(yù)為“太空金屬”，是重要的戰(zhàn)略金屬。

二、鈦合金在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程

鈦合金的工業(yè)化，首先開(kāi)始于軍工和航空工業(yè)，其應(yīng)用范圍自飛機(jī)的非承力構(gòu)件逐漸向承力結(jié)構(gòu)件上延伸，鈦合金的長(zhǎng)時(shí)間*高工作溫度已經(jīng)由*初的300℃發(fā)展到現(xiàn)在的600℃。

1953年，美國(guó)道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)防火壁和短艙上*使用鈦材，開(kāi)始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。該時(shí)期，在軍用飛機(jī)上使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等為數(shù)不多的非承力構(gòu)件，鈦合金長(zhǎng)時(shí)間*高工作溫度為350-350℃。

上世紀(jì)60年代，鈦合金逐步代替結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軋、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等承力結(jié)構(gòu)件上，之后研制開(kāi)發(fā)的IMI679、BT25、BT9、IMI829等鈦合金*高工作溫度提高到了400℃-500℃。

上世紀(jì)70年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，民用飛機(jī)也開(kāi)始使用鈦合金機(jī)構(gòu)，一架波音787用鈦量高達(dá)136t，占全機(jī)質(zhì)量的15%。

進(jìn)入80年代，民用飛機(jī)用鈦逐步增加，并已超過(guò)軍用飛機(jī)用鈦。

目前，飛機(jī)的用鈦量進(jìn)一步提高，接近40%，長(zhǎng)時(shí)間工作溫度達(dá)到500℃以上。第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22的機(jī)身用鈦量已經(jīng)達(dá)到了38.8％，其裝配的F119發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦量達(dá)到35%。IMI834鈦合金可達(dá)600℃。

三、鈦合金在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

1.航空航天領(lǐng)域用的鈦合金的產(chǎn)業(yè)鏈——中高端鈦材緊俏

航空航天用鈦的產(chǎn)業(yè)鏈包括鈦礦的開(kāi)采、海綿鈦冶煉，鈦合金的鑄錠和鈦材的加工生產(chǎn)等四個(gè)環(huán)節(jié)。鈦鐵礦和金紅石是生產(chǎn)金屬鈦和鈦白的主要原料，通過(guò)硫酸氧化及氯化法處理，得到四氯化碳，之后經(jīng)過(guò)鎂還原，即得到海綿鈦，再通過(guò)冶煉加工成各種應(yīng)用于航空航天的鈦材及鑄件。中國(guó)是世界擁有從礦石冶煉到鈦材生產(chǎn)完整鈦工業(yè)的六個(gè)國(guó)家之一，其他五個(gè)國(guó)家有美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯和日本，其中美、俄、日三國(guó)為傳統(tǒng)鈦工業(yè)強(qiáng)國(guó)。

我國(guó)在整個(gè)鈦產(chǎn)業(yè)鏈中，上中游環(huán)節(jié)處于產(chǎn)能過(guò)剩局面，下游高端鈦材處于緊俏狀態(tài)。我國(guó)是鈦礦資源的儲(chǔ)量大國(guó)，但純度較高的鈦精礦仍需依賴進(jìn)口。海綿鈦總體產(chǎn)能過(guò)剩嚴(yán)重，但航空航天用高端海綿鈦產(chǎn)能仍顯不足。在鈦材加工領(lǐng)域，普通鈦錠的產(chǎn)能有剩余，但用于航空航天的高端鈦錠由于需求增加而處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，民機(jī)用鈦幾乎全部來(lái)自進(jìn)口。

2.市場(chǎng)規(guī)模

因相比其他金屬，鈦合金具備低密度，高比強(qiáng)度，高溫性能好，耐腐蝕能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用水平成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材先進(jìn)程度的重要指標(biāo)，也是影響軍用飛機(jī)戰(zhàn)技性能的重要因素，在航空航天用材市場(chǎng)獲得了廣泛的應(yīng)用。USGS指出，目前全球航空用鈦材占鈦材總需求的50%左右；在美國(guó)，被用于航空領(lǐng)域的鈦材比例甚至高達(dá)79%；俄羅斯57%的鈦材用于飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。

我國(guó)航空航天領(lǐng)域用鈦量保持高速增長(zhǎng)。2017年，中國(guó)鈦材產(chǎn)量達(dá)到5.54萬(wàn)噸，鈦材需求量為4.6745萬(wàn)噸，而我國(guó)航空航天用鈦銷量達(dá)7619噸，航空航天用高端鈦材占比從2009年的10.1%增長(zhǎng)至2017年的16.3%，2009年至2017年的國(guó)內(nèi)航空航天鈦材銷量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到16%。

隨著我國(guó)航空航天領(lǐng)域的大力發(fā)展，無(wú)論是民航領(lǐng)域，還是軍用航空航天領(lǐng)域，都對(duì)高端鈦材形成巨大需求。新型渦扇支線商用客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%，我國(guó)自主研制的大型客機(jī)C919和ARJ21-700已經(jīng)完成首飛，其鈦合金比例略高于波音777的8%的用量，達(dá)9%，單機(jī)鈦含量達(dá)3.92噸。截止2019年3月，C919的訂單量已達(dá)到815架，約合3194.8噸鈦合金需求量。我國(guó)*新一代軍機(jī)的鈦合金用量顯著提升，*新的四代戰(zhàn)機(jī)的鈦用量相較三代、三代半戰(zhàn)機(jī)增長(zhǎng)大約超過(guò)1倍。即使維持每年生產(chǎn)的軍機(jī)數(shù)量不變，我國(guó)軍用鈦合金需求也將翻番。

3.鈦合金技術(shù)水平

我國(guó)高端鈦材相關(guān)技術(shù)顯著提升。大規(guī)格鈦合金鑄錠真空自耗電弧熔煉技術(shù)，逐步解決了鑄錠常見(jiàn)的縮孔、高密度夾雜、低密度夾雜、成分偏析等缺陷問(wèn)題。大規(guī)格棒材鍛造技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了航空鈦合金直徑300mm~500mm棒材的批量化生產(chǎn)，帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)。隨著高端鈦材熔煉及鍛造技術(shù)的發(fā)展迅速，航空裝備用鈦合金材料的國(guó)產(chǎn)化水平不斷提高，不少鈦合金材料填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)*，基本滿足了國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)對(duì)鈦材性能水平的需求。

此外，近年來(lái)國(guó)內(nèi)新建和引進(jìn)了先進(jìn)的大噸位加工裝備提高裝備自動(dòng)化程度以及效率，如8,000噸電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、40,000噸大型模鍛機(jī)、80,000噸大型模鍛機(jī)等。板材的寬幅薄板包套疊軋技術(shù)、大型鍛件旋壓成型以及整體化成型技術(shù)等也有較大突破。

4.產(chǎn)業(yè)化水平

在企業(yè)方面，我國(guó)能夠批量生產(chǎn)航空航天鈦合金的企業(yè)有寶鈦股份、西部材料、西部超導(dǎo)。寶鈦股份是我國(guó)規(guī)模*大的鈦材生產(chǎn)企業(yè)，可生產(chǎn)包括鈦棒材、絲材、管材、板材在內(nèi)的多種鈦加工材產(chǎn)品。西部材料鈦材年產(chǎn)能達(dá)5000噸，以板材為主，是我國(guó)高端鈦材后起之秀。西部超導(dǎo)擁有4,950噸鈦合金產(chǎn)能，鈦合金產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)航空航天用鈦材市場(chǎng)的市場(chǎng)占有率約合23.90%。

在產(chǎn)品方面，目前板材、棒材、管材為主要鈦產(chǎn)品，占整體鈦材比重分別為47%，22%和13%。不同制品形式的鈦材應(yīng)用部位也有區(qū)別。以國(guó)產(chǎn)C919飛機(jī)為例，選擇了6個(gè)鈦合*號(hào)，類別包括低強(qiáng)高塑性、中強(qiáng)中韌、中強(qiáng)高韌、高強(qiáng)高韌及系統(tǒng)用材，產(chǎn)品涵蓋了鍛件、厚板、薄板、型材、管材、絲材等。

在應(yīng)用方面，航空航天用鈦材主要應(yīng)用于飛機(jī)的飛機(jī)框梁、起落架、緊固件及發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤(pán)件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)件上。如C919飛機(jī)上應(yīng)用的鈦合金有CP-3、Ti-6Al-4V和Ti-55531等，主要部位有機(jī)頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。

四、鈦合金未來(lái)發(fā)展前景

1.裝備升級(jí)將拉動(dòng)軍用航空鈦材需求

截至2018年末，全 球現(xiàn)役軍用飛機(jī)總計(jì)53,953架。其中，美國(guó)排名*，擁有軍用飛機(jī)13,398架，我國(guó)擁有的各類軍用飛機(jī)3,187架，排在俄羅斯之后，位居世界第三。為了與美空軍力量對(duì)等，未來(lái)中國(guó)將增加軍用飛機(jī)服役數(shù)。

而目前鈦合金在軍機(jī)的不斷迭代中扮演著重要的角色，已成為為三代機(jī)、四代機(jī)及其配套航空發(fā)動(dòng)機(jī)承力結(jié)構(gòu)件的主要金屬材料選材。根據(jù)Roskill數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)2020年，軍用飛機(jī)用鈦量占比逐步將提升至20%以上，隨著我國(guó)軍用飛機(jī)擴(kuò)充及升級(jí)換代，新型飛機(jī)的量產(chǎn)將開(kāi)拓航空鈦材需求的新格局。

2.民用飛機(jī)國(guó)產(chǎn)化為航空鈦材提供增長(zhǎng)動(dòng)力

我國(guó)民用飛機(jī)關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化為高端鈦合金材料提供新的增長(zhǎng)動(dòng)力。國(guó)產(chǎn)飛機(jī)C919和ARJ21-700已經(jīng)完成首飛，截止2019年3月，訂單量已達(dá)到815架，根據(jù)預(yù)測(cè)，2025年C919將占據(jù)全球商飛1/5的份額，即大約2,000架的需求，對(duì)應(yīng)8,000噸的機(jī)身鈦含量，假設(shè)損耗率為80%，C919將帶來(lái)超過(guò)4萬(wàn)噸的鈦合金需求（不含發(fā)動(dòng)機(jī)）。

3.我國(guó)航空鈦材銷量保持高速增長(zhǎng)，未來(lái)需求可期

在軍用航空鈦材和民用航空鈦材需求的不斷增長(zhǎng)下，我國(guó)航空鈦材銷售量將維持高速增長(zhǎng)。再加上我國(guó)航空航天鈦合金銷售年復(fù)合增長(zhǎng)率僅16%，遠(yuǎn)低于國(guó)際的全球范圍內(nèi)航空航天用鈦材占鈦材總需求的50%的比例，預(yù)估未來(lái)10年國(guó)內(nèi)航空航天用鈦材總需求量將到21.86萬(wàn)噸。