2022年鈦合金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用范圍分析

1、2022年鈦合金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用范圍分析1.鈦合金廣泛用于飛機(jī)機(jī)身及發(fā)動(dòng)機(jī)與鋁、鎳等主要航空用金屬相比，鈦是唯一一種廣泛用于機(jī)身及發(fā)動(dòng)機(jī)的材料。 鈦合金是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的新型結(jié)構(gòu)材料，鈦比鋼密度小 40%， 而鈦的強(qiáng)度和鋼的相當(dāng)，這可以提高結(jié)構(gòu)效率。同時(shí)，鈦的耐熱性、耐蝕性、抗彈性 和成形加工性良好。由于鈦具備上述特性，從一出現(xiàn)鈦合金就應(yīng)用于航空工業(yè)。鈦是 飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材 料，被譽(yù)為“太空金屬”。鈦合金在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)中的使用量也是衡量其先進(jìn)性的重 要指標(biāo)之一。飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量越多。根據(jù)航空用鈦合金研究進(jìn)

2、展，美國(guó) F22第四代機(jī)用鈦含量為 41%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其 F119 發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦含量為 39%，是目前用鈦含 量最高的飛機(jī)。按相組成鈦合金可分為密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)的 型鈦合金(包括近 型合金) 即國(guó)內(nèi)牌號(hào) TA、兩相混合的 + 型鈦合金即國(guó)內(nèi)牌號(hào) TC 和體心立方結(jié)構(gòu)(BCC) 的型鈦合金(包括近 型合金)即國(guó)內(nèi)牌號(hào)為 TB。 型鈦合金主要含 Al、Sn 等元 素具有良好的抗蠕變性能，強(qiáng)度、可焊性以及韌性，是高溫下的首選合金，同時(shí)， 型合金不存在冷脆性，它也適合在低溫環(huán)境中使用，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。+ 型鈦 合金中同時(shí)加入 穩(wěn)定元素和 穩(wěn)定元素，使 和 相得到強(qiáng)化，具有優(yōu)良的綜 合性能，如其

3、室溫強(qiáng)度高于 合金的，熱加工工藝性能良好，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化， 因此適用于航空結(jié)構(gòu)件，也可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、旋轉(zhuǎn)子和其他部件。鈦合 金的雙態(tài)組織具有良好的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配，因此得到廣泛使用，同時(shí)， 鈦合金所具有的可熱處理強(qiáng)化性和深淬透能力使得它逐漸代替 + 兩相鈦合金成為 用于飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼的首選結(jié)構(gòu)材料，在航空航天工業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.1.飛機(jī)機(jī)身用鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)用鈦合金主要應(yīng)用在飛機(jī)骨架、艙門、液壓管路及接頭、起落架、蒙 皮、鉚釘、艙門、翼梁等。20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)首次將鈦合金用在 F-84 轟炸機(jī)上 作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60 年代開(kāi)始

4、，鈦合金在軍用飛機(jī) 中的用量迅速增加，占到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%25%，使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身， 部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。70 年代起，民用飛機(jī) 也開(kāi)始大量使用鈦合金，如波音 B747 客機(jī)的鈦合金用量達(dá) 3640kg 以上。飛機(jī)結(jié)構(gòu)用 鈦合金的使用溫度一般不高于 350，其在比強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性能、焊接工藝性 能等方面有較高要求。在飛機(jī)機(jī)身中應(yīng)用較廣泛的鈦合金有 -21S(Ti-15Mo-3Al2.7Nb-0.2Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)67、 Ti-3Al-8V-6C

5、r-4Mo-4Zr 等。采用鈦合金做機(jī)身材料有以下 5 方面優(yōu)勢(shì)：1)替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低 飛機(jī)質(zhì)量。高推重比讓鈦合金能夠替代強(qiáng)度稍好的鋼而用于飛機(jī)零部件中。2)能夠滿 足飛機(jī)強(qiáng)度要求。與鋁合金相比，60%左右質(zhì)量的鈦合金即可達(dá)到相同的強(qiáng)度。在使 用溫度超過(guò) 130時(shí)，鈦合金能取代鋁合金，因?yàn)檫@一溫度是傳統(tǒng)鋁合金的極限適用 溫度。3)耐腐蝕性良好。大部分飛機(jī)支撐機(jī)構(gòu)在廚房、廁所下面，很容易產(chǎn)生腐蝕， 鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4)與聚合物復(fù)合材料電化學(xué)相容性好。5)空間 的限制，替代鋼和鋁合金。1.2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的心臟，鈦合金用量占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的 25%4

6、0%。發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、 高壓壓氣機(jī)盤件和葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不僅要承受很大的應(yīng)力，而且要有一定的耐熱性。 這樣的工況條件對(duì)鋁來(lái)說(shuō)溫度太高；對(duì)鋼來(lái)說(shuō)密度太大。鈦是最佳的選擇，鈦在 300650溫度下具有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的 一個(gè)重要性能指標(biāo)是推重比，即發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力與其質(zhì)量之比。最早發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為 23，現(xiàn)在能夠達(dá)到 10。推重比越高，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越好。使用鈦合金替代原鎳基 高溫合金可使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量降低，大大提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。鈦在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上 的用量越來(lái)越多。在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的 25%40%，如第 3 代發(fā)動(dòng)機(jī) F100

7、的鈦合金用量為 25%，第 4 代發(fā)動(dòng)機(jī) F119 的鈦合金用 量為 40%。1.3.航空緊固件用鈦合金鈦合金緊固件作為復(fù)合材料唯一連接材料，隨復(fù)材用量增加而不斷增加。不論 軍民用飛機(jī)還是航天器上，除了金屬構(gòu)件還有很多碳纖維復(fù)合材料。鈦與碳纖維復(fù)合 材料的電極電位相近，鈦合金又成為復(fù)合材料惟一的連接材料。因此，隨著先進(jìn)軍民 用飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料用量的不斷增加，對(duì)鈦合金緊固件的需求日益加大。鈦合金 用作航空緊固件，至少具備以下 4 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1)減重效果好。俄羅斯的一架伊爾-96 飛 機(jī)用緊固件 14.2 萬(wàn)件，可減少質(zhì)量近 600kg。我國(guó)航空航天系統(tǒng)鈦合金緊固件的使 用也有明顯的減重效果。飛

8、機(jī)和航天器減少質(zhì)量后，可以提高推力、增加射程、節(jié)省 燃料、減少發(fā)射費(fèi)用等。2)鈦合金優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其是它正電位與碳纖維復(fù)合 材料匹配，可以有效防止緊固件發(fā)生電偶腐蝕。3)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，緊固件部位因溫度 較高，不能采用鋁合金，只能使用鈦合金。4)鈦具有良好彈性和無(wú)磁，對(duì)于防止緊固 螺栓的松動(dòng)和防磁場(chǎng)干擾至關(guān)重要。2.C919 大飛機(jī)鈦用量占 9.3%，國(guó)產(chǎn)化率最高C919 大飛機(jī)鈦合金用量占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 9.3%，超過(guò)同級(jí)別的波音 737 和空客 A320。為了降低飛機(jī)的質(zhì)量，提升飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，C919 大型客機(jī)廣泛采用鈦合金材 料，前機(jī)身壓板、機(jī)頭蒙皮、吊掛、中央翼緣條、尾翼接頭、機(jī)翼

9、滑軌等部位均使用 了鈦合金，總用量達(dá)到機(jī)身結(jié)構(gòu)重量的 9.3%。我國(guó)第一次在一款民用飛機(jī)上大量使 用鈦合金，而同級(jí)別的波音 737 和空客 A320 飛機(jī)鈦合金用量分別為 4%、4.5%。C919 選用 6 個(gè)鈦合金牌號(hào)，制品形態(tài)多樣。根據(jù)鈦合金材料及其新技術(shù)在在 C919 飛機(jī)上的應(yīng)用，綜合考慮鈦合金的產(chǎn)品性能、成本、交付周期等，C919 飛機(jī)選 擇了 6 個(gè)鈦合金牌號(hào)，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)品形式涵蓋了鍛件（投影面積1.1 ，要求的棒材直徑450mm）、厚板（4.76- 80mm）、薄板、型材、管材、絲材等。C919 選材嚴(yán)格，對(duì)于鈦合金產(chǎn)品性能的評(píng)估

10、要 點(diǎn)包括靜強(qiáng)度、疲勞、損傷容限、耐蝕性能、機(jī)加性能、表面處理、無(wú)損檢測(cè)等。鈦合金為 C919 上國(guó)產(chǎn)化最多的先進(jìn)材料，寶鈦集團(tuán)和寶鋼股份都已有材料在大 飛機(jī)上使用。寶鈦股份為國(guó)內(nèi)鈦材龍頭企業(yè)，是國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)機(jī)身鈦材主要供應(yīng)商， 先后承擔(dān)了國(guó)家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、熱處理的Ti-6Al-4VEIL厚板、處理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四個(gè)型號(hào)用材料研制任務(wù)，為首架 C919 飛機(jī)提供了多種規(guī)格的鈦合金棒材、厚板和薄板材料。寶鋼以飛機(jī)起落架用高強(qiáng)鋼、 鈦合金及大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用材等作為重點(diǎn)研發(fā)方向，成功研制出 TC4、TC18、TA15 等 大牌號(hào)的大型鈦合金棒材、等溫鍛件。西部超導(dǎo) Ti-6Al-4V 鈦合金通過(guò)商飛資質(zhì)認(rèn)證，即將共享大飛機(jī)廣闊市場(chǎng)。西部 超導(dǎo)主要從事高端鈦合金材料和低溫超導(dǎo)材料的研發(fā)與制造，是我國(guó)航空用鈦合金棒 絲材的主要研發(fā)生產(chǎn)基地，也是目前國(guó)際上唯一的鈮鈦(NbTi)錠棒及線材全流程生產(chǎn) 企業(yè)。為滿足 C919 大飛機(jī)用鈦材需要，西部超導(dǎo)定增募資 10 億