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“戰略金屬”鈦合金:國內鈦材占全球一半,航空航天需求快速增長
來源:寶雞啟成有色金屬有限公司 | 點擊:190 | 發布日期:2022年8月20日

鈦合金熔煉技術復雜、加工難度大,目前,世界上僅美國、俄羅斯、日本、中國四個國家掌握完整的鈦工業生產技術。鈦工業產業鏈有兩條不同的分支,即鈦材工業和鈦白粉工業。在鈦材工業,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品,用于航空航天、化工、船舶等領域。

1 鈦及鈦合金

1.1 鈦:儲量豐富、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,儲量遠高于許多常見的金屬,僅次于鐵、鋁居于第三位。由于鈦熔煉技術復雜、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、中國四個國家掌握完整的鈦工業生產技術。

有利用價值的鈦礦物主要是鈦鐵礦(FeTiO3)和金紅石(TiO2)。根據美國地質調查局(USGS)《Mineral Commodity Summaries 2022》資料顯示,截至 2021 年末,全球鈦鐵礦儲量為 7.0 億噸,占比 93%,金紅石儲量為 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。中國鈦鐵礦儲量 2.3 億噸,占全球總儲量的 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、鎂雜質含量高,采選冶煉技術難度大。


鈦工業產業鏈有兩條不同的分支,即鈦材工業和鈦白粉工業。在鈦材工業,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品,用于航空航天、化工、船舶等領域;在鈦白粉工業,從鈦鐵礦和金紅石采選開始,通過化學過程生成化工中間產品鈦白粉,用于涂料、塑料和造紙等行業。


綿鈦為鈦材行業基礎原材料,但不同的下游運用領域對海綿鈦的品質等級要求不同。根據海綿鈦國家標準,按鈦含量、雜質含量的高低和硬度按等級由高到低,海綿鈦可劃分為 0A級、0 級、1 級、2 級、3級、4 級、5 級;按粒度大小,一般為 0.83mm-25.4mm,小粒度為0.83mm-12.7mm,細粒度為 0.83mm-5.0mm。


高端鈦合金生產原料以 0 級海綿鈦為主。例如,西部超導采購的海綿鈦主要為 0 級和 1 級海綿鈦,以 0 級為主,顆粒度為 3mm-12.7mm 的小顆粒,并對相關參數有特殊的內控技術標準。一般的民用鈦合金相關企業采購的均為標準規格的海綿鈦,西部鈦業采購的海綿鈦主要為標準規格的 1 級海綿鈦和部分 0 級、2 級海綿鈦。


國內海綿鈦產量近幾年持續增長。2020 年,根據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會對國內 12 家海綿鈦生產企業產量的統計,共生產海綿鈦 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)經熔煉形成鈦鑄錠,再經鍛造、軋制、擠壓等塑性加工方法將鑄錠加工成材,即鈦材。根據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會的數據,2020 年,我國鈦材產量達到近 10 萬噸,占全球鈦材產量的 50%以上。鈦材按是否添加合金元素、牌號、形態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,調整基體相組成和綜合物理化學性能而形成的合金。按相組成鈦合金可分為:密排六方結構的 α 型鈦合金(包括近 α 型合金)—即國內牌號 TA,體心立方結構的 β 型鈦合金(包括近 β 型合金)—即國內牌號為 TB,兩相混合的 α+β 型鈦合金—即國內牌號 TC。


α 型和近 α 型鈦合金具有良好的蠕變、持久性能和焊接性,適合于在高溫環境下使用。β 型和近 β 型鈦合金在室溫至 300℃左右具有高的拉伸強度,但在更高的溫度下,合金的蠕變抗力和耐熱穩定性急劇下降。α+β 型鈦合金不僅具有良好的熱加工性能,而且在中高溫環境下還具有良好的綜合性能。


2 國內鈦合金需求:以化工和航空航天應用為主,航空航天需求快速提升

鈦具有密度小、比強度高、導熱系數低、耐高溫低溫性能好、耐腐蝕能力強等突出特點,最早被應用于航空航天等高科技領域,現在其應用領域已向化工、石油、電力、海水淡化、建筑、日常生活用具等領域拓展,被譽為“現代金屬”、“戰略金屬”。


我國鈦材使用以化工領域為主。根據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會的統計,國內主要鈦材生產企業在化工領域的銷量占總銷量比例為50%左右。近幾年,國內航空航天領域鈦材需求量快速增長,國內主要鈦材生產企業在航空航天領域的銷量占比由 2010 年的 9.7%提升至2020 年的 18.4%。


國內航空航天領域鈦材銷量保持快速增長。2020 年,國內主要鈦材生產企業在航空航天領域合計銷量約 17228 噸,同比增長 36.73%,較2010 年 3603 噸的銷量復合增長率為 16.94%。


航空鈦合金主要應用于飛機結構件、航空發動機結構件以及航空緊固件等。飛機結構鈦合金使用溫度要求一般為 350℃以下,要求其具有高的比強度、良好的韌性、優異的抗疲勞性能、良好的焊接工藝性能等,主要應用部位有起落架部件、框、梁、機身蒙皮、隔熱罩等。發動機用鈦合金要求具有高的比強度、熱穩定性好、抗氧化和抗蠕變性能良好,主要應用領域有壓氣機盤、葉片、鼓筒、高壓壓氣機轉子、壓氣機機匣等。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 飛機機身結構件:軍機和民機鈦合金用量均持續提升

2.1.1 機身結構件鈦合金應用:用于機翼、起落架、尾翼等重要結構件

鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬(-269℃-600℃)等優異性能,且能夠進行各種零件成形、焊接和機械加工,在航空領域很快得到廣泛應用。20 世紀 50 年代初,軍機開始使用工業純鈦制造后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等受力較小的結構件。20 世紀 60 年代,鈦合金進一步應用到飛機襟翼滑軌、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力結構件中。

以美國 F14 戰機為例,鈦合金占 F14 戰斗機結構重量的 26%,使用鈦制成的組件包括機翼結構、起落架部件、尾部結構,以及小型緊固件、彈簧和液壓管等。


采用鈦合金作機身材料有多方面優勢:1)替代鋼和鎳基高溫合金可大大降低飛機質量;2)能夠滿足飛機強度要求,與鋁合金相比,60%左右質量的鈦合金即可達到相同的強度。3)耐腐蝕性良好,鈦合金不需要表面防腐涂層或者鍍膜。4)與聚合物復合材料電化學相容性好。5)限制空間內滿足強度要求,例如,波音 747 的鈦合金起落架梁。


軍用飛機方面,國外先進戰機用鈦量占機體結構總質量的 25%左右。美國 F-35 戰機鈦用量達 27%,F-22 戰機鈦用量高達 41%,其機身主承力梁和框架采用鈦合金整體鍛造而成,創造了迄今為止戰斗機鈦用量的最高紀錄。美國 B1 轟炸機和 B2 轟炸機鈦合金用量分別為 21%和 26%。美國運輸機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 運輸機用鈦量更是達到了 12%。


民航飛機方面,由于復合材料的大量使用,與復合材料相容性更好的鈦合金用量也在逐步增長?湛惋w機鈦用量從第三代 A320 的 4.5%增至第四代 A340 的 6%,A380 的用鈦量增加到了 10%,而 A350 客機的鈦用量進一步提高到 14%左右;波音飛機用鈦量從最初波音 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,基本與空客飛機保持同步。俄羅斯的新型客機 MS21 鈦合金用量占比高達 25%,是目前民用運輸機鈦用量的最高紀錄。


國內方面,軍用殲擊機從初始用鈦量只有 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 20%。大型軍用運輸機運 20 的鈦合金用量為 10%,與美國先進的 C-17 運輸機的鈦合金用量相當。民用飛機上,商用客機 ARJ21 的鈦合金用量 4.8%,而 C919 大型客機廣泛采用鈦合金,其用鈦量已達到 9.3%,主要用于機頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。

最后更新:2022-8-20
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