钛合金在航空领域的市场展望

2015-11-05供稿何蕾HELei

金属世界 2015年5期

供稿|何蕾/ HE Lei

钛合金具有比强度高、疲劳寿命长、耐腐蚀性好、耐高温、与复合材料强度、刚度匹配良好等优点，已成为当代航空业主要结构材料之一，可被用于制作飞机发动机气压机、风扇盘件和叶片等重要部件[1,2]。在各类飞机结构用材中，钛合金都占到了相当大的比例。例如在军机中，俄罗斯的Cy-27CK战斗机的钛合金用量为18%，美国的B-2 轰炸机的钛合金用量为26%，法国的幻影2000的钛合金用量也达到了23%，美国第四代战斗机F-22 中钛合金的用量甚至达到了40%以上。而民用飞机中，波音777、波音787、空客A340、空客A380中钛合金用量也分别达到了7%、15%、6%以及10%[3]。中国著名科学院院士曹春晓就曾指出：钛合金及复合材料的应用水平已成为衡量飞机及其发动机先进性的重要标志之一[4]。

本文对波音、空客公司等主要飞机制造企业未来发展计划，美国的ATI、RTI、TIMET公司，俄罗斯的VSMPO-AVISMA公司等国外主要钛生产企业的发展动向，进行了深入全面的分析。同时也探讨了我国钛合金发展的优势及不足，清晰地勾勒出未来航空用钛合金的主要发展方向。

航空用钛合金的市场分析

国外市场分析

根据美国金属网[5]及《2012年中国钛工业发展报告》[6]提供的相关数据可知，2012年世界各国(中国以外)钛材总产量为100943 t，其中，航空航天市场的需求量就达到了55618 t，比例高达55.1%。美国地质调查局(USGS)于2014年年初公布的统计数据显示，美国钛材主要流向航空航天市场，2013年第4季度有74%的钛材均流向了该市场。美国三大钛生产企业之一的ATI公司季报也长期显示，公司销售额的65%以上来源于航空航天、石油化工、电力能源以及医药四大领域，其中航空航天领域就占到30%以上。由此不难看出，航空领域是世界其他各国钛材销售的主要市场。

目前，除中国外，世界上主要的钛生产国家有美国、俄罗斯，代表性企业包括ATI、RTI、TIMET、VSMPO-AVISMA等。这些国际著名的钛生产企业，无一例外的将主要市场都放在了航空航天领域。其主要客户大体可分为两类，一类为诸如罗尔斯·罗伊斯公司、普惠发动机制造公司、日本航空锻件公司等飞机零部件及发动机生产企业，另一类为诸如波音公司、空客公司、庞巴迪公司等飞机整机制造企业。根据这些公司的中长期发展规划，和钛合金加工业发展的现状，我们可以很清楚地看到，今后无论是那种类型的公司，钛合金都将是他们原材料的需求重点。比如，波音、空客等整机制造企业，客机的月产量都在不断上升，波音公司的737客机将在2017年月产量达到47架。同时，整机制造业产能的提高也将促进零部件加工制造业的繁荣，例如为进一步提高乌拉尔波音制造公司(UBM)的产能，VSMPO-AVISMA公司与波音公司再次联合在乌拉尔特别经济区内新建了一家专门制造大型客机用零部件的工厂，并将于2016年投入生产。而这预示着航空用钛合金将具有巨大的市场需求。为此，国外各大钛生产企业都在提高产品质量、拓展航空市场等方面作出了积极努力并取得了显著收益。一方面，积极整合资源，加强硬件设施投入，确保具备充足的生产能力。另一方面，狠抓产品质量和技术更新，不断降低生产成本，大力发展高附加值产品。目前，国外各个钛生产企业均将目光转向了航空用高附加值钛产品的生产，并且大多已与波音、空客等企业签订了长期的供货协议。

总之，航空用钛合金在美国、俄罗斯等国家的市场需求是非常巨大的，并将在未来的十年乃至数十年都将呈现增长趋势。

国内市场分析

长期以来，我国所生产的钛材在航空领域的使用量一直远远低于化工领域，基本保持在10%左右，详见表1[6-14]。

表1 我国钛加工材在各主要领域中的使用情况统计

从表1可以清楚地看到，我国钛材在航空领域中的使用量呈逐年增加趋势。根据中国有色金属协会钛锆铪分会发布的2006—2014年中国钛工业发展报告，2006—2007年我国所生产的钛材在航空领域的使用量显著增加，达到了总产量的17.2%(约为4061 t)。其后，由于受到全球金融危机的影响，又回落到了12.8%(约为3550 t)，且一直处于低谷。而2013年却出现了转机，虽然我国钛行业整体低迷，钛材总产量下降，但其在航空领域的使用量却大幅增长，较2012年的4382 t增长了645 t，这主要是因为我国大飞机等重大航空项目的拉动。但是通过比较分析，我们就能发现，我国钛材大都流向了化工、电力、体育休闲等民用领域，用于航空领域的比例远远低于美国、俄罗斯等国家。例如，控制着世界30%钛市场的俄罗斯VSMPO-AVISMA公司向飞机制造商的供货量已占到公司全部订单的65%~70%[15]，与世界上其他国家钛工业发展的趋势存在着明显差异。《2012年中国钛工业发展报告》[6]中就曾明确指出：我国钛行业存在着两个突出现象：一方面是大飞机用钛材，即高端钛制品还不能自给；另一方面是化工、冶金等民用钛材，即中低端钛制品严重产能过剩。

近年来，我国各个钛企业及相关科研院所已逐渐意识到这一问题的严重性，已从设备更新、工艺改进等方面入手，做了大量工作。目前，我国已经基本上拥有了世界上一流的熔铸、锻造设备及先进的轧棒、板带生产线，并在大型航空模锻件热模近净成形技术、3D打印技术等方面取得了突破性进展。总之，我国目前已基本具备了生产航空用钛合金的设备、掌握了相关技术，并成功生产出了部分所急需的各种先进钛产品。随着我国大飞机计划的推进，航空用钛合金将出现巨大的市场需求，且增长空间可能要远远高于国外。然而，我国目前的市场状况却是“有需求，无产品”，我国所生产的各类大型航空用钛合金锻件、板材、棒材质量的均匀性和稳定性都不够理想，各类型材还无法实现批量生产，很多钛产品还没有通过国外航空认证，不能满足我国航空领域的高端需求。因此，与发达国家相比，我国航空用钛合金的生产及应用还存在着一定差距，而正是这种差距却可能成为我国钛工业发展的机遇和方向。

航空用钛合金的发展方向

与其他航空用金属材料相比，从世界上第一个实用型钛合金诞生迄今只有短短60年，但它已成为当代飞机及发动机不可或缺的重要材料之一。20世纪50年代到90年代，美国、俄罗斯、英国等发达国家先后研制出了各个牌号的航空用钛合金，并随后对其组织、性能、加工工艺等进行了广泛而深入的研究，为其工业化生产和推广应用奠定了坚实基础。20世纪90年代后，这一情况发生了质的变化，世界上再鲜有新牌号的航空用钛合金诞生并实现工业化生产，发达国家对钛合金的研究已由新牌号试制转向了性能优化、工艺改进、计算机模拟、生产批量化等新的发展方向。我国目前已研发出了多个具有自主产权的航空用钛合金，对钛合金的研究已经历了由仿制到自主研发的过程。现在的问题是真正获得推广应用的并不多，尤其是阻燃钛合金。而随着世界航空工业的发展，航空用钛合金需求的增长，标准的提高，借鉴世界发达国家经验，我国钛合金研究及生产应朝着以下几方面推进：

◆ 低成本化。因为航空工业对材料的要求更加注重性能与成本的平衡，不再一味追求高性能，低成本化应该贯穿选材、结构设计、制造、检测评价以及维护维修等全过程。降低钛合金成本已经是行业的发展趋势，可以从以下几个方面努力：

1) 研制不含Mo、V、Nb等价格昂贵的元素的新型钛合金。由于实际应用中的航空钛合金大多都含有一定量的Mo、V、Nb元素，尤其是阻燃钛合金Alloy C，其V元素含量占到了35%，导致成本过高，只在军机F119发动机中被应用。

2) 大力发展近净成型技术。近净成型技术是在新材料、精密磨具技术、计算机技术、数值分析和模拟技术等多学科高新技术综合利用的基础上发展起来的，对于降低零部件及大型构件加工成本具有重要意义。近年来，我国在近净成型技术方面已取得了巨大进步，尤其是3D打印技术[16]，已成功采用3D打印技术生产了目前国内尺寸最大、结构最为复杂的钛合金主承力构件，并将逐步推广到工业化生产。

◆ 高性能化。航空用钛合金的高性能化对减轻飞机及发动机结构质量、提高效率、以及延长使用寿命具有举足轻重的作用。目前，国际航空用钛合金的高性能化研究已取得显著进展，我国自主研发还有待一进步提高和优化，可从以下几方面努力：

1) 加强高温钛合金的研发。一方面可以通过成分调整、工艺改进、添加稀土元素等进一步提高其使用温度，另一方面应重视Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α型钛合金的研制，关注Si元素在合金中的作用，研究重点应放在使用温度在600℃以上的高温钛合金。

2) 在高强高韧钛合金领域，在研制过程中应充分注意成本控制，重视性能对其组织的敏感性，大力发展Rm≥1350 MPa，KIC≥55 MPa·m1/2的航空用钛合金。

3) 对于损伤容限型钛合金，一方面可通过降低C、N、O等间隙元素含量、在β相区进行热机械加工等方法提高合金的损伤容限性，另一方面应重视发展1100 MPa级的高强高韧损伤容限型钛合金，同时还应加强对该类钛合金损伤容线性能机理的研究以及完善相关表征和评价技术。

4) 加强研发阻燃钛合金。目前除美国、俄罗斯的部分典型合金得到实际应用外，其他各国均处于研究阶段，而这又是航空领域发展的需要。可在Ti-Cu-Al系及Ti-V-Cr系两大主流阻燃钛合金体系领域加强研发力度，改善其力学性能差、成本高等问题。

◆ 工业化。我国航空制造业起步较晚，与世界发达国家相比还存在较大差距，钛材在航空领域的用量也远远低于美国。然而，近年来随着《新材料产业“十二五”发展规划》的发布、“大飞机”项目的启动等，我国航空用钛合金的工业化生产取得了显著进步，也出现了许多问题。对比发达国家钛合金与航空工业的发展趋势，我国航空用钛合金在工业化进程中应着重发展以下几方面：1)加强品种规格系列化以及批量生产稳定化，进一步提高技术的成熟度；2)注重精锻、等温锻造、焊接、热处理、无损检测等相关配套技术的研究；3)建立产品性能、生产工艺数据库，加强现代化技术在生产中的应用；4)在设备更新、产品生产中密切关注市场，切勿盲目投资；5)建立和完善相关企业管理制度，提高生产效率，降低产品不合格率。

结语

航空用钛合金已成为航空工业发展中不可或缺的材料之一，世界各国都对其进行了深入而广泛的研究，我国自主研发的TC11、Ti60、TB20、TC4-DT、TC21等钛合金也都通过了实验室研制、中试及工业化生产，已被用于制造飞机及发动机零部件和结构件。然而，与世界发达国家相比，我国航空用钛合金在研制、应用及工业化生产方面还存在一定差距。主要表现为综合性能欠缺、产品性能稳定性不足、生产成本高等。随着“大飞机”等项目的推进，未来我国航空用钛合金的需求将会有较大程度的增长。因此，我国各科研及生产单位应加强科研力度，注重航空用钛合金的低成本化、高性能化以及工业化发展。

[1] Boyer R R. An over view on use of titanium in the aerospace industry.Materials Science and Engineering A, 1996, 213: 103-104.

[2] Cui Chunxiang, Hu Baomin, Zhao Lichen, et al. Titanium alloy production technology, market prospects and industry development.Mater Des, 2011(32):1684–1691.

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[7] 钛锆铪分会. 2014年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2015，32(2)：1-6.

[8] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2013年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2014，31(3)：1-6.

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[10] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2010年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2011，28(2)：1-6.

[11] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2009年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2010，27(3)：1-7.

[12] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2008年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2009，26(2)：1-7.

[13] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2007年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2008，25(2)：4-12.

[14] 王向东，逯福生，贾翃，等. 2006年中国钛工业发展报告. 钛工业进展，2007，24(2)：1-8.