鈦合金在航空領(lǐng)域的市場展望

供稿|何蕾/ HE Lei

鈦合金具有比強(qiáng)度高、疲勞壽命長、耐腐蝕性好、耐高溫、與復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度匹配良好等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)代航空業(yè)主要結(jié)構(gòu)材料之一，可被用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)氣壓機(jī)、風(fēng)扇盤件和葉片等重要部件[1,2]。在各類飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材中，鈦合金都占到了相當(dāng)大的比例。例如在軍機(jī)中，俄羅斯的Cy-27CK戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金用量為18%，美國的B-2 轟炸機(jī)的鈦合金用量為26%，法國的幻影2000的鈦合金用量也達(dá)到了23%，美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22 中鈦合金的用量甚至達(dá)到了40%以上。而民用飛機(jī)中，波音777、波音787、空客A340、空客A380中鈦合金用量也分別達(dá)到了7%、15%、6%以及10%[3]。中國著名科學(xué)院院士曹春曉就曾指出：鈦合金及復(fù)合材料的應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)及其發(fā)動機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一[4]。

本文對波音、空客公司等主要飛機(jī)制造企業(yè)未來發(fā)展計(jì)劃，美國的ATI、RTI、TIMET公司，俄羅斯的VSMPO-AVISMA公司等國外主要鈦生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展動向，進(jìn)行了深入全面的分析。同時(shí)也探討了我國鈦合金發(fā)展的優(yōu)勢及不足，清晰地勾勒出未來航空用鈦合金的主要發(fā)展方向。

航空用鈦合金的市場分析

國外市場分析

根據(jù)美國金屬網(wǎng)[5]及《2012年中國鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告》[6]提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，2012年世界各國(中國以外)鈦材總產(chǎn)量為100943 t，其中，航空航天市場的需求量就達(dá)到了55618 t，比例高達(dá)55.1%。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)于2014年年初公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，美國鈦材主要流向航空航天市場，2013年第4季度有74%的鈦材均流向了該市場。美國三大鈦生產(chǎn)企業(yè)之一的ATI公司季報(bào)也長期顯示，公司銷售額的65%以上來源于航空航天、石油化工、電力能源以及醫(yī)藥四大領(lǐng)域，其中航空航天領(lǐng)域就占到30%以上。由此不難看出，航空領(lǐng)域是世界其他各國鈦材銷售的主要市場。

目前，除中國外，世界上主要的鈦生產(chǎn)國家有美國、俄羅斯，代表性企業(yè)包括ATI、RTI、TIMET、VSMPO-AVISMA等。這些國際著名的鈦生產(chǎn)企業(yè)，無一例外的將主要市場都放在了航空航天領(lǐng)域。其主要客戶大體可分為兩類，一類為諸如羅爾斯·羅伊斯公司、普惠發(fā)動機(jī)制造公司、日本航空鍛件公司等飛機(jī)零部件及發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，另一類為諸如波音公司、空客公司、龐巴迪公司等飛機(jī)整機(jī)制造企業(yè)。根據(jù)這些公司的中長期發(fā)展規(guī)劃，和鈦合金加工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，我們可以很清楚地看到，今后無論是那種類型的公司，鈦合金都將是他們原材料的需求重點(diǎn)。比如，波音、空客等整機(jī)制造企業(yè)，客機(jī)的月產(chǎn)量都在不斷上升，波音公司的737客機(jī)將在2017年月產(chǎn)量達(dá)到47架。同時(shí)，整機(jī)制造業(yè)產(chǎn)能的提高也將促進(jìn)零部件加工制造業(yè)的繁榮，例如為進(jìn)一步提高烏拉爾波音制造公司(UBM)的產(chǎn)能，VSMPO-AVISMA公司與波音公司再次聯(lián)合在烏拉爾特別經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)新建了一家專門制造大型客機(jī)用零部件的工廠，并將于2016年投入生產(chǎn)。而這預(yù)示著航空用鈦合金將具有巨大的市場需求。為此，國外各大鈦生產(chǎn)企業(yè)都在提高產(chǎn)品質(zhì)量、拓展航空市場等方面作出了積極努力并取得了顯著收益。一方面，積極整合資源，加強(qiáng)硬件設(shè)施投入，確保具備充足的生產(chǎn)能力。另一方面，狠抓產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)更新，不斷降低生產(chǎn)成本，大力發(fā)展高附加值產(chǎn)品。目前，國外各個(gè)鈦生產(chǎn)企業(yè)均將目光轉(zhuǎn)向了航空用高附加值鈦產(chǎn)品的生產(chǎn)，并且大多已與波音、空客等企業(yè)簽訂了長期的供貨協(xié)議。

總之，航空用鈦合金在美國、俄羅斯等國家的市場需求是非常巨大的，并將在未來的十年乃至數(shù)十年都將呈現(xiàn)增長趨勢。

國內(nèi)市場分析

長期以來，我國所生產(chǎn)的鈦材在航空領(lǐng)域的使用量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化工領(lǐng)域，基本保持在10%左右，詳見表1[6-14]。

表1 我國鈦加工材在各主要領(lǐng)域中的使用情況統(tǒng)計(jì)

從表1可以清楚地看到，我國鈦材在航空領(lǐng)域中的使用量呈逐年增加趨勢。根據(jù)中國有色金屬協(xié)會鈦鋯鉿分會發(fā)布的2006—2014年中國鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告，2006—2007年我國所生產(chǎn)的鈦材在航空領(lǐng)域的使用量顯著增加，達(dá)到了總產(chǎn)量的17.2%(約為4061 t)。其后，由于受到全球金融危機(jī)的影響，又回落到了12.8%(約為3550 t)，且一直處于低谷。而2013年卻出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)，雖然我國鈦行業(yè)整體低迷，鈦材總產(chǎn)量下降，但其在航空領(lǐng)域的使用量卻大幅增長，較2012年的4382 t增長了645 t，這主要是因?yàn)槲覈箫w機(jī)等重大航空項(xiàng)目的拉動。但是通過比較分析，我們就能發(fā)現(xiàn)，我國鈦材大都流向了化工、電力、體育休閑等民用領(lǐng)域，用于航空領(lǐng)域的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國、俄羅斯等國家。例如，控制著世界30%鈦市場的俄羅斯VSMPO-AVISMA公司向飛機(jī)制造商的供貨量已占到公司全部訂單的65%~70%[15]，與世界上其他國家鈦工業(yè)發(fā)展的趨勢存在著明顯差異?！?012年中國鈦工業(yè)發(fā)展報(bào)告》[6]中就曾明確指出：我國鈦行業(yè)存在著兩個(gè)突出現(xiàn)象：一方面是大飛機(jī)用鈦材，即高端鈦制品還不能自給；另一方面是化工、冶金等民用鈦材，即中低端鈦制品嚴(yán)重產(chǎn)能過剩。

近年來，我國各個(gè)鈦企業(yè)及相關(guān)科研院所已逐漸意識到這一問題的嚴(yán)重性，已從設(shè)備更新、工藝改進(jìn)等方面入手，做了大量工作。目前，我國已經(jīng)基本上擁有了世界上一流的熔鑄、鍛造設(shè)備及先進(jìn)的軋棒、板帶生產(chǎn)線，并在大型航空模鍛件熱模近凈成形技術(shù)、3D打印技術(shù)等方面取得了突破性進(jìn)展?？傊?，我國目前已基本具備了生產(chǎn)航空用鈦合金的設(shè)備、掌握了相關(guān)技術(shù)， 并成功生產(chǎn)出了部分所急需的各種先進(jìn)鈦產(chǎn)品。隨著我國大飛機(jī)計(jì)劃的推進(jìn)，航空用鈦合金將出現(xiàn)巨大的市場需求，且增長空間可能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外。然而，我國目前的市場狀況卻是“有需求，無產(chǎn)品”，我國所生產(chǎn)的各類大型航空用鈦合金鍛件、板材、棒材質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性都不夠理想，各類型材還無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，很多鈦產(chǎn)品還沒有通過國外航空認(rèn)證，不能滿足我國航空領(lǐng)域的高端需求。因此，與發(fā)達(dá)國家相比，我國航空用鈦合金的生產(chǎn)及應(yīng)用還存在著一定差距，而正是這種差距卻可能成為我國鈦工業(yè)發(fā)展的機(jī)遇和方向。

航空用鈦合金的發(fā)展方向

與其他航空用金屬材料相比，從世界上第一個(gè)實(shí)用型鈦合金誕生迄今只有短短60年，但它已成為當(dāng)代飛機(jī)及發(fā)動機(jī)不可或缺的重要材料之一。20世紀(jì)50年代到90年代，美國、俄羅斯、英國等發(fā)達(dá)國家先后研制出了各個(gè)牌號的航空用鈦合金，并隨后對其組織、性能、加工工藝等進(jìn)行了廣泛而深入的研究，為其工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后，這一情況發(fā)生了質(zhì)的變化，世界上再鮮有新牌號的航空用鈦合金誕生并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，發(fā)達(dá)國家對鈦合金的研究已由新牌號試制轉(zhuǎn)向了性能優(yōu)化、工藝改進(jìn)、計(jì)算機(jī)模擬、生產(chǎn)批量化等新的發(fā)展方向。我國目前已研發(fā)出了多個(gè)具有自主產(chǎn)權(quán)的航空用鈦合金，對鈦合金的研究已經(jīng)歷了由仿制到自主研發(fā)的過程?，F(xiàn)在的問題是真正獲得推廣應(yīng)用的并不多，尤其是阻燃鈦合金。而隨著世界航空工業(yè)的發(fā)展，航空用鈦合金需求的增長，標(biāo)準(zhǔn)的提高，借鑒世界發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，我國鈦合金研究及生產(chǎn)應(yīng)朝著以下幾方面推進(jìn)：

◆ 低成本化。 因?yàn)楹娇展I(yè)對材料的要求更加注重性能與成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化應(yīng)該貫穿選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、檢測評價(jià)以及維護(hù)維修等全過程。降低鈦合金成本已經(jīng)是行業(yè)的發(fā)展趨勢，可以從以下幾個(gè)方面努力：

1) 研制不含Mo、V、Nb等價(jià)格昂貴的元素的新型鈦合金。由于實(shí)際應(yīng)用中的航空鈦合金大多都含有一定量的Mo、V、Nb元素，尤其是阻燃鈦合金Alloy C，其V元素含量占到了35%，導(dǎo)致成本過高，只在軍機(jī)F119發(fā)動機(jī)中被應(yīng)用。

2) 大力發(fā)展近凈成型技術(shù)。近凈成型技術(shù)是在新材料、精密磨具技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值分析和模擬技術(shù)等多學(xué)科高新技術(shù)綜合利用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對于降低零部件及大型構(gòu)件加工成本具有重要意義。近年來，我國在近凈成型技術(shù)方面已取得了巨大進(jìn)步，尤其是3D打印技術(shù)[16]，已成功采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了目前國內(nèi)尺寸最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的鈦合金主承力構(gòu)件，并將逐步推廣到工業(yè)化生產(chǎn)。

◆ 高性能化。航空用鈦合金的高性能化對減輕飛機(jī)及發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高效率、以及延長使用壽命具有舉足輕重的作用。目前，國際航空用鈦合金的高性能化研究已取得顯著進(jìn)展，我國自主研發(fā)還有待一進(jìn)步提高和優(yōu)化，可從以下幾方面努力：

1) 加強(qiáng)高溫鈦合金的研發(fā)。一方面可以通過成分調(diào)整、工藝改進(jìn)、添加稀土元素等進(jìn)一步提高其使用溫度，另一方面應(yīng)重視Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型鈦合金的研制，關(guān)注Si元素在合金中的作用，研究重點(diǎn)應(yīng)放在使用溫度在600℃以上的高溫鈦合金。

2) 在高強(qiáng)高韌鈦合金領(lǐng)域，在研制過程中應(yīng)充分注意成本控制，重視性能對其組織的敏感性，大力發(fā)展Rm≥1350 MPa，KIC≥55 MPa·m1/2的航空用鈦合金。

3) 對于損傷容限型鈦合金，一方面可通過降低C、N、O等間隙元素含量、在β相區(qū)進(jìn)行熱機(jī)械加工等方法提高合金的損傷容限性，另一方面應(yīng)重視發(fā)展1100 MPa級的高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)對該類鈦合金損傷容線性能機(jī)理的研究以及完善相關(guān)表征和評價(jià)技術(shù)。

4) 加強(qiáng)研發(fā)阻燃鈦合金。目前除美國、俄羅斯的部分典型合金得到實(shí)際應(yīng)用外，其他各國均處于研究階段，而這又是航空領(lǐng)域發(fā)展的需要?？稍赥i-Cu-Al系及Ti-V-Cr系兩大主流阻燃鈦合金體系領(lǐng)域加強(qiáng)研發(fā)力度，改善其力學(xué)性能差、成本高等問題。

◆ 工業(yè)化。我國航空制造業(yè)起步較晚，與世界發(fā)達(dá)國家相比還存在較大差距，鈦材在航空領(lǐng)域的用量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國。然而，近年來隨著《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布、“大飛機(jī)”項(xiàng)目的啟動等，我國航空用鈦合金的工業(yè)化生產(chǎn)取得了顯著進(jìn)步，也出現(xiàn)了許多問題。對比發(fā)達(dá)國家鈦合金與航空工業(yè)的發(fā)展趨勢，我國航空用鈦合金在工業(yè)化進(jìn)程中應(yīng)著重發(fā)展以下幾方面：1)加強(qiáng)品種規(guī)格系列化以及批量生產(chǎn)穩(wěn)定化，進(jìn)一步提高技術(shù)的成熟度；2)注重精鍛、等溫鍛造、焊接、熱處理、無損檢測等相關(guān)配套技術(shù)的研究；3)建立產(chǎn)品性能、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫，加強(qiáng)現(xiàn)代化技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用；4)在設(shè)備更新、產(chǎn)品生產(chǎn)中密切關(guān)注市場，切勿盲目投資；5)建立和完善相關(guān)企業(yè)管理制度，提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品不合格率。

結(jié)語

航空用鈦合金已成為航空工業(yè)發(fā)展中不可或缺的材料之一，世界各國都對其進(jìn)行了深入而廣泛的研究，我國自主研發(fā)的TC11、Ti60、TB20、TC4-DT、TC21等鈦合金也都通過了實(shí)驗(yàn)室研制、中試及工業(yè)化生產(chǎn)，已被用于制造飛機(jī)及發(fā)動機(jī)零部件和結(jié)構(gòu)件。然而，與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國航空用鈦合金在研制、應(yīng)用及工業(yè)化生產(chǎn)方面還存在一定差距。主要表現(xiàn)為綜合性能欠缺、產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不足、生產(chǎn)成本高等。隨著“大飛機(jī)”等項(xiàng)目的推進(jìn)，未來我國航空用鈦合金的需求將會有較大程度的增長。因此，我國各科研及生產(chǎn)單位應(yīng)加強(qiáng)科研力度，注重航空用鈦合金的低成本化、高性能化以及工業(yè)化發(fā)展。

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