鈦合金行業(yè)研究產(chǎn)量約占全球一半航空航天鈦材需求快速增長

鈦合金行業(yè)研究-產(chǎn)量約占全球一半航空航天鈦材需求快速增長1鈦及鈦合金1.1鈦：儲(chǔ)量豐富、加工難度大的稀有金屬鈦在地殼中的豐度為0.56%，在所有元素中排第9位，儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于許多常見的金屬，僅次于鐵、鋁居于第三位。由于鈦熔煉技術(shù)復(fù)雜、加工難度大，鈦被歸為“稀有”金屬。目前，世界上僅美國、俄羅斯、日本、中國四個(gè)國家掌握完整的鈦工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。有利用價(jià)值的鈦礦物主要是鈦鐵礦（FeTiO3）和金紅石（TiO2）。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）《MineralCommoditySummaries2022》資料顯示，截至2021年末，全球鈦鐵礦儲(chǔ)量為7.0億噸，占比93%，金紅石儲(chǔ)量為0.49億噸，占比7%。全球鈦資源主要分布在澳大利亞、南非、中國、印度和肯尼亞等國。中國鈦鐵礦儲(chǔ)量2.3億噸，占全球總儲(chǔ)量的33%，居世界第一。但是我國的鈦資源中鈦鐵礦多，金紅石礦少；貧礦多，富礦少；無單一鈦礦，均為多金屬共生礦，鈣、鎂雜質(zhì)含量高，采選冶煉技術(shù)難度大。鈦工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈有兩條不同的分支，即鈦材工業(yè)和鈦白粉工業(yè)。在鈦材工業(yè)，從鈦鐵礦和金紅石采選開始，制造海綿鈦，然后制成各種金屬產(chǎn)品，用于航空航天、化工、船舶等領(lǐng)域；在鈦白粉工業(yè)，從鈦鐵礦和金紅石采選開始，通過化學(xué)過程生成化工中間產(chǎn)品鈦白粉，用于涂料、塑料和造紙等行業(yè)。海綿鈦為鈦材行業(yè)基礎(chǔ)原材料，但不同的下游運(yùn)用領(lǐng)域?qū)＞d鈦的品質(zhì)等級(jí)要求不同。根據(jù)海綿鈦國家標(biāo)準(zhǔn)，按鈦含量、雜質(zhì)含量的高低和硬度按等級(jí)由高到低，海綿鈦可劃分為0A級(jí)、0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)、5級(jí)；按粒度大小，一般為0.83mm-25.4mm，小粒度為0.83mm-12.7mm，細(xì)粒度為0.83mm-5.0mm。高端鈦合金生產(chǎn)原料以0級(jí)海綿鈦為主。例如，西部超導(dǎo)采購的海綿鈦主要為0級(jí)和1級(jí)海綿鈦，以0級(jí)為主，顆粒度為3mm-12.7mm的小顆粒，并對(duì)相關(guān)參數(shù)有特殊的內(nèi)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一般的民用鈦合金相關(guān)企業(yè)采購的均為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的海綿鈦，西部鈦業(yè)采購的海綿鈦主要為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的1級(jí)海綿鈦和部分0級(jí)、2級(jí)海綿鈦。國內(nèi)海綿鈦產(chǎn)量近幾年持續(xù)增長。2020年，根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)對(duì)國內(nèi)12家海綿鈦生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)，共生產(chǎn)海綿鈦12.30萬噸，同比增長44.9%。1.2鈦及鈦合金類型海綿鈦（或海綿鈦加合金元素）經(jīng)熔煉形成鈦鑄錠，再經(jīng)鍛造、軋制、擠壓等塑性加工方法將鑄錠加工成材，即鈦材。根據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)的數(shù)據(jù)，2020年，我國鈦材產(chǎn)量達(dá)到近10萬噸，占全球鈦材產(chǎn)量的50%以上。鈦材按是否添加合金元素、牌號(hào)、形態(tài)和用途等有多種分類方法。鈦合金是以鈦為基加入適量其他元素，調(diào)整基體相組成和綜合物理化學(xué)性能而形成的合金。按相組成鈦合金可分為：密排六方結(jié)構(gòu)的α型鈦合金（包括近α型合金）—即國內(nèi)牌號(hào)TA，體心立方結(jié)構(gòu)的β型鈦合金（包括近β型合金）—即國內(nèi)牌號(hào)為TB，兩相混合的α+β型鈦合金—即國內(nèi)牌號(hào)TC。2國內(nèi)鈦合金需求：以化工和航空航天應(yīng)用為主，航空航天需求快速提升鈦具有密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫低溫性能好、耐腐蝕能力強(qiáng)等突出特點(diǎn)，最早被應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域，現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域已向化工、石油、電力、海水淡化、建筑、日常生活用具等領(lǐng)域拓展，被譽(yù)為“現(xiàn)代金屬”、“戰(zhàn)略金屬”。我國鈦材使用以化工領(lǐng)域?yàn)橹?。根?jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)主要鈦材生產(chǎn)企業(yè)在化工領(lǐng)域的銷量占總銷量比例為50%左右。近幾年，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域鈦材需求量快速增長，國內(nèi)主要鈦材生產(chǎn)企業(yè)在航空航天領(lǐng)域的銷量占比由2010年的9.7%提升至2020年的18.4%。國內(nèi)航空航天領(lǐng)域鈦材銷量保持快速增長。2020年，國內(nèi)主要鈦材生產(chǎn)企業(yè)在航空航天領(lǐng)域合計(jì)銷量約17228噸，同比增長36.73%，較2010年3603噸的銷量復(fù)合增長率為16.94%。航空鈦合金主要應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件以及航空緊固件等。飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金使用溫度要求一般為350℃以下，要求其具有高的比強(qiáng)度、良好的韌性、優(yōu)異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等，主要應(yīng)用部位有起落架部件、框、梁、機(jī)身蒙皮、隔熱罩等。發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金要求具有高的比強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、抗氧化和抗蠕變性能良好，主要應(yīng)用領(lǐng)域有壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、壓氣機(jī)機(jī)匣等。航空緊固件用鈦合金要求具有較好的加工性、無磁性、耐腐蝕性等，主要包括鈦合金鉚釘、鈦合金螺栓等。2.1飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件：軍機(jī)和民機(jī)鈦合金用量均持續(xù)提升2.1.1機(jī)身結(jié)構(gòu)件鈦合金應(yīng)用：用于機(jī)翼、起落架、尾翼等重要結(jié)構(gòu)件鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬（-269℃-600℃）等優(yōu)異性能，且能夠進(jìn)行各種零件成形、焊接和機(jī)械加工，在航空領(lǐng)域很快得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初，軍機(jī)開始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等受力較小的結(jié)構(gòu)件。20世紀(jì)60年代，鈦合金進(jìn)一步應(yīng)用到飛機(jī)襟翼滑軌、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)件中。以美國F14戰(zhàn)機(jī)為例，鈦合金占F14戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)重量的26%，使用鈦制成的組件包括機(jī)翼結(jié)構(gòu)、起落架部件、尾部結(jié)構(gòu)，以及小型緊固件、彈簧和液壓管等。采用鈦合金作機(jī)身材料有多方面優(yōu)勢：1）替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機(jī)質(zhì)量；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。3）耐腐蝕性良好，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）限制空間內(nèi)滿足強(qiáng)度要求，例如，波音

747的鈦合金起落架梁。軍用飛機(jī)方面，國外先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)用鈦量占機(jī)體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的25%左右。美國F-35戰(zhàn)機(jī)鈦用量達(dá)27%，F(xiàn)-22戰(zhàn)機(jī)鈦用量高達(dá)41%，其機(jī)身主承力梁和框架采用鈦合金整體鍛造而成，創(chuàng)造了迄今為止戰(zhàn)斗機(jī)鈦用量的最高紀(jì)錄。美國B1轟炸機(jī)和B2轟炸機(jī)鈦合金用量分別為21%和26%。美國運(yùn)輸機(jī)用鈦量也由早期服役的C5的6%增至C17的10.3%，俄羅斯伊爾76運(yùn)輸機(jī)用鈦量更是達(dá)到了12%。民航飛機(jī)方面，由于復(fù)合材料的大量使用，與復(fù)合材料相容性更好的鈦合金用量也在逐步增長?？湛惋w機(jī)鈦用量從第三代A320的4.5％增至第四代A340的6％，A380的用鈦量增加到了10％，而A350客機(jī)的鈦用量進(jìn)一步提高到14％左右；波音飛機(jī)用鈦量從最初波音707的0.5％逐漸增至波音747的4%，再到波音777的7％，波音787的用鈦量已提高到15%左右，基本與空客飛機(jī)保持同步。俄羅斯的新型客機(jī)MS21鈦合金用量占比高達(dá)25%，是目前民用運(yùn)輸機(jī)鈦用量的最高紀(jì)錄。國內(nèi)方面，軍用殲擊機(jī)從初始用鈦量只有2%的殲8，逐漸增加至用鈦量為4%的殲10，殲11用鈦量增加到15%，殲20用鈦量達(dá)20%。大型軍用運(yùn)輸機(jī)運(yùn)20的鈦合金用量為10%，與美國先進(jìn)的C-17運(yùn)輸機(jī)的鈦合金用量相當(dāng)。民用飛機(jī)上，商用客機(jī)ARJ21的鈦合金用量4.8%，而C919大型客機(jī)廣泛采用鈦合金，其用鈦量已達(dá)到9.3%，主要用于機(jī)頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。2.1.2機(jī)身結(jié)構(gòu)件鈦合金材料：Ti-64應(yīng)用最為廣泛，向更好的加工性能發(fā)展目前，在航空領(lǐng)域使用的鈦合金材料主要有TC4（美Ti-64合金）、TC18、TC21、TA15、TB6（美Ti-1023合金）等。Ti-64鈦合金是最早問世同時(shí)也是最經(jīng)典的鈦合金，其設(shè)計(jì)使用溫度最高可達(dá)350℃。Ti-64不僅具有耐高溫性，還具有十分優(yōu)良的塑性加工性能，在航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。TC18具有較大淬透性，適合制造大型鍛件。俄羅斯根據(jù)波音和空客等民機(jī)需求，在TC18合金基礎(chǔ)上開發(fā)了Ti-55531鈦合金。Ti-55531強(qiáng)度較高，而且具有優(yōu)越的淬透性和更寬的加工窗口，已在A380飛機(jī)吊掛接頭和起落架支柱等零件上使用。鑄造鈦合金方面，航空領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣、用量最多的鑄造鈦合金是ZTC4鈦合金。我國研制和生產(chǎn)的鈦合金鑄件中，ZTC4和ZTA15合金用量占80%。此外，國內(nèi)常用的鑄造鈦合金還有ZTC3和ZTC6。ZTC3、ZTC6和ZTA15是航材院根據(jù)航空工業(yè)發(fā)展需求研制或仿制的高溫鑄造鈦合金和高強(qiáng)鑄造鈦合金，在減輕飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)重量、滿足高溫和高載以及腐蝕環(huán)境要求、提高機(jī)體壽命等方面發(fā)揮重要作用。2.2航發(fā)結(jié)構(gòu)件：主要用于航發(fā)冷端部件，新型鈦合金性能提升應(yīng)用范圍不斷拓寬2.2.1鈦合金主要用于航發(fā)冷端部件，用量占比持續(xù)提升鈦合金的使用是軍用航發(fā)提高推重比的關(guān)鍵。推重比是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)，最早航發(fā)推送比為2~3，四代航發(fā)推重比超過10。鈦在300~650℃溫度下具有良好的抗高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和抗氧化性能，且質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，使用鈦合金代替原鎳基高溫合金可使航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低，提高航發(fā)推重比。軍用航發(fā)方面，鈦合金一般用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)盤件、葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)部件和燃燒室、尾噴管等靜止件。在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，鈦合金用量已占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的25%~40%，第3代航發(fā)F100的鈦合金用量達(dá)25%，第4代航發(fā)F119的鈦合金用量達(dá)40%。民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面，鈦合金同樣用于風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤件、葉片等部件。以V2500航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其鈦合金用量達(dá)31%，鈦合金零件主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)前部及外部工作溫度較低的位置，從高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)開始，溫度和壓力明顯升高，鈦合金零件使用較少。鈦合金零件使用范圍涵蓋機(jī)匣、轉(zhuǎn)子轂、轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片、軸承支撐、管路、支架等諸多零件，零件總價(jià)超過750萬美元，相比V2500新發(fā)價(jià)格約1500萬美元，價(jià)值占比約50%。2.2.2航發(fā)鈦合金性能要求高，新型鈦合金進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用鈦合金，要求其在較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時(shí)強(qiáng)度、耐熱性能、持久強(qiáng)度、高溫蠕變抗力和組織穩(wěn)定性等。α型、近α型和α+β型鈦合金在中高溫環(huán)境下具有良好的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的鈦合金主要有TC4、TC11、TC17和TA11等，用于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)低溫段工作的葉片、盤、機(jī)匣等零件。TC4具有良好的塑性加工性能，TC17是一種高強(qiáng)、高韌和高淬透性的兩相鈦合金，由于使用溫度不高，廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)盤件等低溫部件。TC25鈦合金是前蘇聯(lián)研制的一種熱強(qiáng)鈦合金（俄牌號(hào)BT25），該合金含有鉬、鎢等高熔點(diǎn)元素，熱強(qiáng)性、耐熱性好，使用溫度達(dá)550℃，使用壽命達(dá)3000h，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤盤件。隨著先進(jìn)航發(fā)對(duì)高性能鈦合金的迫切需求，600℃高溫鈦合金、阻燃鈦合金、TiAl和SiCf／Ti復(fù)合材料成為新型高溫鈦合金的發(fā)展重點(diǎn)。600℃高溫鈦合金適用于工作溫度為500℃-600℃的高壓壓氣機(jī)整體葉盤、機(jī)匣等；阻燃鈦合金適用于高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片等；TiAl合金適用于工作溫度在700℃-850℃的高壓壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片等；

SiCf／Ti鈦基復(fù)合材料適用于高壓壓氣機(jī)整體葉環(huán)。TA29鈦合金在620℃仍具有良好的蠕變抗力，在其他性能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可延伸至620℃左右長期使用。此外，TA29鈦合金在750℃-800℃仍能保持較高的抗拉強(qiáng)度，可在此溫度區(qū)間短時(shí)使用，應(yīng)用于超高聲速導(dǎo)彈、火箭、飛行器、空天飛機(jī)等裝備的機(jī)體構(gòu)件、蒙皮，以及所用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件。TA29鈦合金已實(shí)現(xiàn)從3t型工業(yè)鑄錠熔煉、Φ300mm大規(guī)格棒材制備、大尺寸整體葉盤鍛件制備到整體葉盤零件機(jī)加工、檢測檢驗(yàn)、表面處理等全程制造。TB12和TF550是阻燃鈦合金，阻燃鈦合金是我國新型鈦合金的發(fā)展方向之一。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件上，由于鈦合金具有易燃傾向，因而在鈦合金制件表面添加防鈦火涂層或采用阻燃鈦合金，P&W研制的Alloy-C（Ti-35V-15Cr）高穩(wěn)定性阻燃β型鈦合金，已用于F-22戰(zhàn)斗機(jī)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)用壓氣機(jī)擋板、增壓器及噴嘴等部件。國內(nèi)以美國Alloy-C合金的成分為基礎(chǔ)，研制了能在500℃長期使用的TB12和在550℃長期使用的TF550。TiAl合金兼具金屬和陶瓷的性能，在600℃-800℃，TiAl合金比強(qiáng)度優(yōu)于常規(guī)鈦合金，且具有良好的抗蠕變、抗氧化等性能。GE公司為

波音

787研制的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪第6、7級(jí)葉片采用鑄造TiAl合金葉片取代鎳基高溫合金葉片，實(shí)現(xiàn)減重72.5kg。2014年，Mecachrome公司與法國Snecma公司簽訂TiAl合金供貨協(xié)議，Mecachrome將向CFM公司提供用于制造LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)的TiAl合金低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。除了航發(fā)鍛件，鈦合金精密鑄件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也有廣泛應(yīng)用。鈦合金鑄件具有制造成本低、周期短、原材料利用率高等優(yōu)勢，可制造各種大型復(fù)雜整體零部件。例如，20世紀(jì)90年代初，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金機(jī)匣采用分體鑄造再焊接成整體部件方式生產(chǎn)，在使用過程中由于機(jī)匣焊接量大，部件剛性差，易產(chǎn)生疲勞裂紋，部件可靠性和壽命下降，難以實(shí)現(xiàn)全壽命使用。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求不斷提升，需采用結(jié)構(gòu)剛性更好、更為可靠的整體鑄件。國內(nèi)從20世紀(jì)90年代起開展大型鈦合金鑄件的研制工作，整體鑄造的中介機(jī)匣率先在XX10發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。大部分鑄造鈦合金基本上沿用了變形鈦合金的成分。ZTC4鑄造鈦合金使用最為成熟和廣泛，隨著航空領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)件的斷裂韌性要求越來越高，ZTC4等中強(qiáng)度鈦合金已無法滿足要求，高強(qiáng)度鑄造鈦合金越來越受到重視，例如Ti-15-3、Ti-10-2-3、Ti6-22-