一、鈦合金簡介

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)飛機機體結(jié)構(gòu)及其發(fā)動機中鈦合金的用量在30%以上。鈦合金在航空飛行器中的含量，成為衡量飛機及發(fā)動機先進(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、比強度高、韌性強、抗腐蝕性能高、高溫性能以及無磁性等性能，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)動機風(fēng)扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構(gòu)件的*材料，被譽為“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，首先開始于軍工和航空工業(yè)，其應(yīng)用范圍自飛機的非承力構(gòu)件逐漸向承力結(jié)構(gòu)件上延伸，鈦合金的長時間*高工作溫度已經(jīng)由*初的300℃發(fā)展到現(xiàn)在的600℃。

1953年，美國道格拉斯公司出產(chǎn)的DC-T機發(fā)動機防火壁和短艙上*使用鈦材，開始鈦合金應(yīng)用于航空的歷史。該時期，在軍用飛機上使用工業(yè)純鈦制造后機身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機尾罩等為數(shù)不多的非承力構(gòu)件，鈦合金長時間*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，鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，又從戰(zhàn)斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，民用飛機也開始使用鈦合金機構(gòu)，一架波音787用鈦量高達(dá)136t，占全機質(zhì)量的15%。

進(jìn)入80年代，民用飛機用鈦逐步增加，并已超過軍用飛機用鈦。

目前，飛機的用鈦量進(jìn)一步提高，接近40%，長時間工作溫度達(dá)到500℃以上。第四代戰(zhàn)斗機F-22的機身用鈦量已經(jīng)達(dá)到了38.8％，其裝配的F119發(fā)動機用鈦量達(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)鏈包括鈦礦的開采、海綿鈦冶煉，鈦合金的鑄錠和鈦材的加工生產(chǎn)等四個環(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，通過硫酸氧化及氯化法處理，得到四氯化碳，之后經(jīng)過鎂還原，即得到海綿鈦，再通過冶煉加工成各種應(yīng)用于航空航天的鈦材及鑄件。中國是世界擁有從礦石冶煉到鈦材生產(chǎn)完整鈦工業(yè)的六個國家之一，其他五個國家有美國、俄羅斯、烏克蘭、哈薩克斯和日本，其中美、俄、日三國為傳統(tǒng)鈦工業(yè)強國。

我國在整個鈦產(chǎn)業(yè)鏈中，上中游環(huán)節(jié)處于產(chǎn)能過剩局面，下游高端鈦材處于緊俏狀態(tài)。我國是鈦礦資源的儲量大國，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)，民機用鈦幾乎全部來自進(jìn)口。

2.市場規(guī)模

因相比其他金屬，鈦合金具備低密度，高比強度，高溫性能好，耐腐蝕能力強等突出優(yōu)勢，其應(yīng)用水平成為衡量飛機結(jié)構(gòu)選材先進(jìn)程度的重要指標(biāo)，也是影響軍用飛機戰(zhàn)技性能的重要因素，在航空航天用材市場獲得了廣泛的應(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，被用于航空領(lǐng)域的鈦材比例甚至高達(dá)79%；俄羅斯57%的鈦材用于飛機機身和發(fā)動機領(lǐng)域。

我國航空航天領(lǐng)域用鈦量保持高速增長。2017年，中國鈦材產(chǎn)量達(dá)到5.54萬噸，鈦材需求量為4.6745萬噸，而我國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%增長至2017年的16.3%，2009年至2017年的國內(nèi)航空航天鈦材銷量年復(fù)合增長率達(dá)到16%。

隨著我國航空航天領(lǐng)域的大力發(fā)展，無論是民航領(lǐng)域，還是軍用航空航天領(lǐng)域，都對高端鈦材形成巨大需求。新型渦扇支線商用客機ARJ21的鈦合金用量為4.8%，我國自主研制的大型客機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*新一代軍機的鈦合金用量顯著提升，*新的四代戰(zhàn)機的鈦用量相較三代、三代半戰(zhàn)機增長大約超過1倍。即使維持每年生產(chǎn)的軍機數(shù)量不變，我國軍用鈦合金需求也將翻番。

3.鈦合金技術(shù)水平

我國高端鈦材相關(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的縮孔、高密度夾雜、低密度夾雜、成分偏析等缺陷問題。大規(guī)格棒材鍛造技術(shù)，逐步實現(xiàn)了航空鈦合金直徑300mm~500mm棒材的批量化生產(chǎn)，帶動了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)升級。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產(chǎn)化水平不斷提高，不少鈦合金材料填補了國內(nèi)*，基本滿足了國內(nèi)高端市場對鈦材性能水平的需求。

此外，近年來國內(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化程度以及效率，如8,000噸電動螺旋壓力機、40,000噸大型模鍛機、80,000噸大型模鍛機等。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)品在國內(nèi)航空航天用鈦材市場的市場占有率約合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。以國產(chǎn)C919飛機為例，選擇了6個鈦合*號，類別包括低強高塑性、中強中韌、中強高韌、高強高韌及系統(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)用于飛機的飛機框梁、起落架、緊固件及發(fā)動機的風(fēng)扇、壓氣機盤件和葉片等轉(zhuǎn)動件上。如C919飛機上應(yīng)用的鈦合金有CP-3、Ti-6Al-4V和Ti-55531等，主要部位有機頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。

四、鈦合金未來發(fā)展前景

1.裝備升級將拉動軍用航空鈦材需求

截至2018年末，全 球現(xiàn)役軍用飛機總計53,953架。其中，美國排名*，擁有軍用飛機13,398架，我國擁有的各類軍用飛機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等，未來中國將增加軍用飛機服役數(shù)。

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

2.民用飛機國產(chǎn)化為航空鈦材提供增長動力

我國民用飛機關(guān)鍵材料國產(chǎn)化為高端鈦合金材料提供新的增長動力。國產(chǎn)飛機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，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，對應(yīng)8,000噸的機身鈦含量，假設(shè)損耗率為80%，C919將帶來超過4萬噸的鈦合金需求（不含發(fā)動機）。

3.我國航空鈦材銷量保持高速增長，未來需求可期

在軍用航空鈦材和民用航空鈦材需求的不斷增長下，我國航空鈦材銷售量將維持高速增長。再加上我國航空航天鈦合金銷售年復(fù)合增長率僅16%，遠(yuǎn)低于國際的全球范圍內(nèi)航空航天用鈦材占鈦材總需求的50%的比例，預(yù)估未來10年國內(nèi)航空航天用鈦材總需求量將到21.86萬噸。

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