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1、2022年钛合金行业发展现状及应用范围分析1.钛合金广泛用于飞机机身及发动机与铝、镍等主要航空用金属相比，钛是唯一一种广泛用于机身及发动机的材料。 钛合金是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的新型结构材料，钛比钢密度小 40%， 而钛的强度和钢的相当，这可以提高结构效率。同时，钛的耐热性、耐蚀性、抗弹性 和成形加工性良好。由于钛具备上述特性，从一出现钛合金就应用于航空工业。钛是 飞机的主要结构材料，也是航空发动机风扇、压气机轮盘和叶片等重要构件的首选材 料，被誉为“太空金属”。钛合金在飞机和发动机中的使用量也是衡量其先进性的重 要指标之一。飞机越先进，钛用量越多。根据航空用钛合金研究进
2、展，美国 F22第四代机用钛含量为 41%(质量分数)，其 F119 发动机用钛含量为 39%，是目前用钛含 量最高的飞机。按相组成钛合金可分为密排六方结构(HCP)的 型钛合金(包括近 型合金) 即国内牌号 TA、两相混合的 + 型钛合金即国内牌号 TC 和体心立方结构(BCC) 的型钛合金(包括近 型合金)即国内牌号为 TB。 型钛合金主要含 Al、Sn 等元 素具有良好的抗蠕变性能，强度、可焊性以及韧性，是高温下的首选合金，同时， 型合金不存在冷脆性，它也适合在低温环境中使用，扩大了其应用范围。+ 型钛 合金中同时加入 稳定元素和 稳定元素，使 和 相得到强化，具有优良的综 合性能，如其
3、室温强度高于 合金的，热加工工艺性能良好，可以进行热处理强化， 因此适用于航空结构件，也可用于航空发动机压气机盘、旋转子和其他部件。钛合 金的双态组织具有良好的强度、塑性和韧性的匹配，因此得到广泛使用，同时， 钛合金所具有的可热处理强化性和深淬透能力使得它逐渐代替 + 两相钛合金成为 用于飞机机身和机翼的首选结构材料，在航空航天工业中发挥越来越重要的作用。1.1.飞机机身用钛合金飞机结构用钛合金主要应用在飞机骨架、舱门、液压管路及接头、起落架、蒙 皮、铆钉、舱门、翼梁等。20 世纪 50 年代，美国首次将钛合金用在 F-84 轰炸机上 作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60 年代开始
4、，钛合金在军用飞机 中的用量迅速增加，占到飞机结构重量的 20%25%，使用部位从后机身移向中机身， 部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。70 年代起，民用飞机 也开始大量使用钛合金，如波音 B747 客机的钛合金用量达 3640kg 以上。飞机结构用 钛合金的使用温度一般不高于 350，其在比强度、韧性、抗疲劳性能、焊接工艺性 能等方面有较高要求。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有 -21S(Ti-15Mo-3Al2.7Nb-0.2Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)67、 Ti-3Al-8V-6C
5、r-4Mo-4Zr 等。采用钛合金做机身材料有以下 5 方面优势：1)替代钢和镍基高温合金可大大降低 飞机质量。高推重比让钛合金能够替代强度稍好的钢而用于飞机零部件中。2)能够满 足飞机强度要求。与铝合金相比，60%左右质量的钛合金即可达到相同的强度。在使 用温度超过 130时，钛合金能取代铝合金，因为这一温度是传统铝合金的极限适用 温度。3)耐腐蚀性良好。大部分飞机支撑机构在厨房、厕所下面，很容易产生腐蚀， 钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。4)与聚合物复合材料电化学相容性好。5)空间 的限制，替代钢和铝合金。1.2.航空发动机用钛合金发动机是飞机的心脏，钛合金用量占发动机总质量的 25%4
6、0%。发动机的风扇、 高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。 这样的工况条件对铝来说温度太高；对钢来说密度太大。钛是最佳的选择，钛在 300650温度下具有良好的抗高温强度、抗蠕变性和抗氧化性能。同时，发动机的 一个重要性能指标是推重比，即发动机产生的推力与其质量之比。最早发动机的推重比为 23，现在能够达到 10。推重比越高，发动机性能越好。使用钛合金替代原镍基 高温合金可使发动机的质量降低，大大提高飞机发动机的推重比。钛在飞机发动机上 的用量越来越多。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的 25%40%，如第 3 代发动机 F100
7、的钛合金用量为 25%，第 4 代发动机 F119 的钛合金用 量为 40%。1.3.航空紧固件用钛合金钛合金紧固件作为复合材料唯一连接材料，随复材用量增加而不断增加。不论 军民用飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。钛与碳纤维复合 材料的电极电位相近，钛合金又成为复合材料惟一的连接材料。因此，随着先进军民 用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求日益加大。钛合金 用作航空紧固件，至少具备以下 4 点优势：1)减重效果好。俄罗斯的一架伊尔-96 飞 机用紧固件 14.2 万件，可减少质量近 600kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使 用也有明显的减重效果。飞
8、机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省 燃料、减少发射费用等。2)钛合金优异的耐腐蚀性能，尤其是它正电位与碳纤维复合 材料匹配，可以有效防止紧固件发生电偶腐蚀。3)在飞机结构中，紧固件部位因温度 较高，不能采用铝合金，只能使用钛合金。4)钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固 螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。2.C919 大飞机钛用量占 9.3%，国产化率最高C919 大飞机钛合金用量占全机结构重量的 9.3%，超过同级别的波音 737 和空客 A320。为了降低飞机的质量，提升飞机的经济性，C919 大型客机广泛采用钛合金材 料，前机身压板、机头蒙皮、吊挂、中央翼缘条、尾翼接头、机翼
9、滑轨等部位均使用 了钛合金，总用量达到机身结构重量的 9.3%。我国第一次在一款民用飞机上大量使 用钛合金，而同级别的波音 737 和空客 A320 飞机钛合金用量分别为 4%、4.5%。C919 选用 6 个钛合金牌号，制品形态多样。根据钛合金材料及其新技术在在 C919 飞机上的应用，综合考虑钛合金的产品性能、成本、交付周期等，C919 飞机选 择了 6 个钛合金牌号，包括低强高塑性、中强中韧、中强高韧、高强高韧及系统用材， 产品形式涵盖了锻件（投影面积1.1 ，要求的棒材直径450mm）、厚板（4.76- 80mm）、薄板、型材、管材、丝材等。C919 选材严格，对于钛合金产品性能的评估
10、要 点包括静强度、疲劳、损伤容限、耐蚀性能、机加性能、表面处理、无损检测等。钛合金为 C919 上国产化最多的先进材料，宝钛集团和宝钢股份都已有材料在大 飞机上使用。宝钛股份为国内钛材龙头企业，是国产大飞机机身钛材主要供应商， 先后承担了国家Ti-3Al-2.5V（TA18）管材、热处理的Ti-6Al-4VEIL厚板、处理 的 Ti-6Al-4V 合金型材、TB5 板材工程化研制四个型号用材料研制任务，为首架 C919 飞机提供了多种规格的钛合金棒材、厚板和薄板材料。宝钢以飞机起落架用高强钢、 钛合金及大飞机发动机用材等作为重点研发方向，成功研制出 TC4、TC18、TA15 等 大牌号的大型
11、钛合金棒材、等温锻件。西部超导 Ti-6Al-4V 钛合金通过商飞资质认证，即将共享大飞机广阔市场。西部 超导主要从事高端钛合金材料和低温超导材料的研发与制造，是我国航空用钛合金棒 丝材的主要研发生产基地，也是目前国际上唯一的铌钛(NbTi)锭棒及线材全流程生产 企业。为满足 C919 大飞机用钛材需要，西部超导定增募资 10 亿元，用于航空用特种 钛合金扩能技改项目等。根据公司2021年半年报，公司已经通过了商飞公司Ti-6Al4V 钛合金材料的资质认证，未来将逐步实现产品批量交付。 根据立鼎产业网数据，C919 钛材用量约为 3.92 吨/架，假设未来 20 年可制造 1200 架 C919，在不考虑损耗率的情况下预计带来 4700 吨航空钛材需求量。