钛合金，航空航天新材料界新宠

一、钛合金简介

钛合金是航空工业中不可缺少的一种新型结构材料，在新一代先进飞机机体结构及其发动机中钛合金的用量在30%以上。钛合金在航空飞行器中的含量，成为衡量飞机及发动机先进的重要标志之一。

钛合金将钛为基础，融入铝、锡、钒、钼、铌等其他元素或者材料所构成的复合金属称为钛合金。相比航空航天其他材料，钛及钛合金因密度小、比强度高、韧性强、抗腐蚀性能高、高温性能以及无磁性等性能，在减轻结构重量、提高结构效率、改善结构可靠性、提高机体寿命、满足高温及腐蚀环境等方面具有不可替代的作用，作为航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的*材料，被誉为“太空金属”，是重要的战略金属。

二、钛合金在航空航天领域的发展历程

钛合金的工业化，首先开始于军工和航空工业，其应用范围自飞机的非承力构件逐渐向承力结构件上延伸，钛合金的长时间*高工作温度已经由*初的300℃发展到现在的600℃。

1953年，美国道格拉斯公司出产的DC-T机发动机防火壁和短舱上*使用钛材，开始钛合金应用于航空的历史。该时期，在军用飞机上使用工业纯钛制造后机身隔热板、导风罩、机尾罩等为数不多的非承力构件，钛合金长时间*高工作温度为350-350℃。

上世纪60年代，钛合金逐步代替结构钢，应用到飞机襟翼滑轧、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等承力结构件上，之后研制开发的IMI679、BT25、BT9、IMI829等钛合金*高工作温度提高到了400℃-500℃。

上世纪70年代，钛合金在飞机结构上的应用，又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，民用飞机也开始使用钛合金机构，一架波音787用钛量高达136t，占全机质量的15%。

进入80年代，民用飞机用钛逐步增加，并已超过军用飞机用钛。

目前，飞机的用钛量进一步提高，接近40%，长时间工作温度达到500℃以上。第四代战斗机F-22的机身用钛量已经达到了38.8％，其装配的F119发动机用钛量达到35%。IMI834钛合金可达600℃。

三、钛合金在航空航天领域的发展现状

1.航空航天领域用的钛合金的产业链——中高端钛材紧俏

航空航天用钛的产业链包括钛矿的开采、海绵钛冶炼，钛合金的铸锭和钛材的加工生产等四个环节。钛铁矿和金红石是生产金属钛和钛白的主要原料，通过硫酸氧化及氯化法处理，得到四氯化碳，之后经过镁还原，即得到海绵钛，再通过冶炼加工成各种应用于航空航天的钛材及铸件。中国是世界拥有从矿石冶炼到钛材生产完整钛工业的六个国家之一，其他五个国家有美国、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯和日本，其中美、俄、日三国为传统钛工业强国。

我国在整个钛产业链中，上中游环节处于产能过剩局面，下游高端钛材处于紧俏状态。我国是钛矿资源的储量大国，但纯度较高的钛精矿仍需依赖进口。海绵钛总体产能过剩严重，但航空航天用高端海绵钛产能仍显不足。在钛材加工领域，普通钛锭的产能有剩余，但用于航空航天的高端钛锭由于需求增加而处于供不应求的状态，民机用钛几乎全部来自进口。

2.市场规模

因相比其他金属，钛合金具备低密度，高比强度，高温性能好，耐腐蚀能力强等突出优势，其应用水平成为衡量飞机结构选材先进程度的重要指标，也是影响军用飞机战技性能的重要因素，在航空航天用材市场获得了广泛的应用。USGS指出，目前全球航空用钛材占钛材总需求的50%左右；在美国，被用于航空领域的钛材比例甚至高达79%；俄罗斯57%的钛材用于飞机机身和发动机领域。

我国航空航天领域用钛量保持高速增长。2017年，中国钛材产量达到5.54万吨，钛材需求量为4.6745万吨，而我国航空航天用钛销量达7619吨，航空航天用高端钛材占比从2009年的10.1%增长至2017年的16.3%，2009年至2017年的国内航空航天钛材销量年复合增长率达到16%。

随着我国航空航天领域的大力发展，无论是民航领域，还是军用航空航天领域，都对高端钛材形成巨大需求。新型涡扇支线商用客机ARJ21的钛合金用量为4.8%，我国自主研制的大型客机C919和ARJ21-700已经完成首飞，其钛合金比例略高于波音777的8%的用量，达9%，单机钛含量达3.92吨。截止2019年3月，C919的订单量已达到815架，约合3194.8吨钛合金需求量。我国*新一代军机的钛合金用量显著提升，*新的四代战机的钛用量相较三代、三代半战机增长大约超过1倍。即使维持每年生产的军机数量不变，我国军用钛合金需求也将翻番。

3.钛合金技术水平

我国高端钛材相关技术显著提升。大规格钛合金铸锭真空自耗电弧熔炼技术，逐步解决了铸锭常见的缩孔、高密度夹杂、低密度夹杂、成分偏析等缺陷问题。大规格棒材锻造技术，逐步实现了航空钛合金直径300mm~500mm棒材的批量化生产，带动了相关技术标准升级。随着高端钛材熔炼及锻造技术的发展迅速，航空装备用钛合金材料的国产化水平不断提高，不少钛合金材料填补了国内*，基本满足了国内高端市场对钛材性能水平的需求。

此外，近年来国内新建和引进了先进的大吨位加工装备提高装备自动化程度以及效率，如8,000吨电动螺旋压力机、40,000吨大型模锻机、80,000吨大型模锻机等。板材的宽幅薄板包套叠轧技术、大型锻件旋压成型以及整体化成型技术等也有较大突破。

4.产业化水平

在企业方面，我国能够批量生产航空航天钛合金的企业有宝钛股份、西部材料、西部超导。宝钛股份是我国规模*大的钛材生产企业，可生产包括钛棒材、丝材、管材、板材在内的多种钛加工材产品。西部材料钛材年产能达5000吨，以板材为主，是我国高端钛材后起之秀。西部超导拥有4,950吨钛合金产能，钛合金产品在国内航空航天用钛材市场的市场占有率约合23.90%。

在产品方面，目前板材、棒材、管材为主要钛产品，占整体钛材比重分别为47%，22%和13%。不同制品形式的钛材应用部位也有区别。以国产C919飞机为例，选择了6个钛合*号，类别包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材，产品涵盖了锻件、厚板、薄板、型材、管材、丝材等。

在应用方面，航空航天用钛材主要应用于飞机的飞机框梁、起落架、紧固件及发动机的风扇、压气机盘件和叶片等转动件上。如C919飞机上应用的钛合金有CP-3、Ti-6Al-4V和Ti-55531等，主要部位有机头、吊挂、尾翼、外翼和中央翼盒等。

四、钛合金未来发展前景

1.装备升级将拉动军用航空钛材需求

截至2018年末，全 球现役军用飞机总计53,953架。其中，美国排名*，拥有军用飞机13,398架，我国拥有的各类军用飞机3,187架，排在俄罗斯之后，位居世界第三。为了与美空军力量对等，未来中国将增加军用飞机服役数。

而目前钛合金在军机的不断迭代中扮演着重要的角色，已成为为三代机、四代机及其配套航空发动机承力结构件的主要金属材料选材。根据Roskill数据统计，预计2020年，军用飞机用钛量占比逐步将提升至20%以上，随着我国军用飞机扩充及升级换代，新型飞机的量产将开拓航空钛材需求的新格局。

2.民用飞机国产化为航空钛材提供增长动力

我国民用飞机关键材料国产化为高端钛合金材料提供新的增长动力。国产飞机C919和ARJ21-700已经完成首飞，截止2019年3月，订单量已达到815架，根据预测，2025年C919将占据全球商飞1/5的份额，即大约2,000架的需求，对应8,000吨的机身钛含量，假设损耗率为80%，C919将带来超过4万吨的钛合金需求（不含发动机）。

3.我国航空钛材销量保持高速增长，未来需求可期

在军用航空钛材和民用航空钛材需求的不断增长下，我国航空钛材销售量将维持高速增长。再加上我国航空航天钛合金销售年复合增长率仅16%，远低于国际的全球范围内航空航天用钛材占钛材总需求的50%的比例，预估未来10年国内航空航天用钛材总需求量将到21.86万吨。

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