“战略金属”钛合金：国内钛材占全球一半，航空航天需求快速增长

 

 

钛在地壳中的丰度为 0.56%，在所有元素中排第 9 位，储量远高于许多常见的金属，仅次于铁、铝居于第三位。由于钛熔炼技术复杂、加工难度大，钛被归为“稀有”金属。目前，世界上仅美国、俄罗斯、日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术。

 

有利用价值的钛矿物主要是钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2）。根据美国地质调查局（USGS）《Mineral Commodity Summaries 2022》资料显示，截至 2021 年末，全球钛铁矿储量为 7.0 亿吨，占比 93%，金红石储量为 0.49 亿吨，占比 7%。全球钛资源主要分布在澳大利亚、南非、中国、印度和肯尼亚等国。中国钛铁矿储量 2.3 亿吨，占全球总储量的 33%，居世界第一。但是我国的钛资源中钛铁矿多，金红石矿少；贫矿多，富矿少；无单一钛矿，均为多金属共生矿，钙、镁杂质含量高，采选冶炼技术难度大。

 

钛工业产业链有两条不同的分支，即钛材工业和钛白粉工业。在钛材工业，从钛铁矿和金红石采选开始，制造海绵钛，然后制成各种金属产品，用于航空航天、化工、船舶等领域；在钛白粉工业，从钛铁矿和金红石采选开始，通过化学过程生成化工中间产品钛白粉，用于涂料、塑料和造纸等行业。

 

海绵钛为钛材行业基础原材料，但不同的下游运用领域对海绵钛的品质等级要求不同。根据海绵钛国家标准，按钛含量、杂质含量的高低和硬度按等级由高到低，海绵钛可划分为 0A级、0 级、1 级、2 级、3级、4 级、5 级；按粒度大小，一般为 0.83mm-25.4mm，小粒度为0.83mm-12.7mm，细粒度为 0.83mm-5.0mm。

 

高端钛合金生产原料以 0 级海绵钛为主。例如，西部超导采购的海绵钛主要为 0 级和 1 级海绵钛，以 0 级为主，颗粒度为 3mm-12.7mm 的小颗粒，并对相关参数有特殊的内控技术标准。一般的民用钛合金相关企业采购的均为标准规格的海绵钛，西部钛业采购的海绵钛主要为标准规格的 1 级海绵钛和部分 0 级、2 级海绵钛。

 

国内海绵钛产量近几年持续增长。2020 年，根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会对国内 12 家海绵钛生产企业产量的统计，共生产海绵钛 12.30 万吨，同比增长 44.9%。

 

海绵钛（或海绵钛加合金元素）经熔炼形成钛铸锭，再经锻造、轧制、挤压等塑性加工方法将铸锭加工成材，即钛材。根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会的数据，2020 年，我国钛材产量达到近 10 万吨，占全球钛材产量的 50%以上。钛材按是否添加合金元素、牌号、形态和用途等有多种分类方法。

 

钛合金是以钛为基加入适量其他元素，调整基体相组成和综合物理化学性能而形成的合金。按相组成钛合金可分为：密排六方结构的 %u3B1 型钛合金（包括近 %u3B1 型合金）—即国内牌号 TA，体心立方结构的 %u3B2 型钛合金（包括近 %u3B2 型合金）—即国内牌号为 TB，两相混合的 %u3B1+%u3B2 型钛合金—即国内牌号 TC。

 

%u3B1 型和近 %u3B1 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，适合于在高温环境下使用。%u3B2 型和近 %u3B2 型钛合金在室温至 300℃左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和耐热稳定性急剧下降。%u3B1+%u3B2 型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中高温环境下还具有良好的综合性能。

 

 

钛具有密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好、耐腐蚀能力强等突出特点，最早被应用于航空航天等高科技领域，现在其应用领域已向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用具等领域拓展，被誉为“现代金属”、“战略金属”。

 

我国钛材使用以化工领域为主。根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会的统计，国内主要钛材生产企业在化工领域的销量占总销量比例为50%左右。近几年，国内航空航天领域钛材需求量快速增长，国内主要钛材生产企业在航空航天领域的销量占比由 2010 年的 9.7%提升至2020 年的 18.4%。

国内航空航天领域钛材销量保持快速增长。2020 年，国内主要钛材生产企业在航空航天领域合计销量约 17228 吨，同比增长 36.73%，较2010 年 3603 吨的销量复合增长率为 16.94%。

 

航空钛合金主要应用于飞机结构件、航空发动机结构件以及航空紧固件等。飞机结构钛合金使用温度要求一般为 350℃以下，要求其具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等，主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化和抗蠕变性能良好，主要应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。航空紧固件用钛合金要求具有较好的加工性、无磁性、耐腐蚀性等，主要包括钛合金铆钉、钛合金螺栓等。

 

 

 

钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽（-269℃-600℃）等优异性能，且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工，在航空领域很快得到广泛应用。20 世纪 50 年代初，军机开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力较小的结构件。20 世纪 60 年代，钛合金进一步应用到飞机襟翼滑轨、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。

 

以美国 F14 战机为例，钛合金占 F14 战斗机结构重量的 26%，使用钛制成的组件包括机翼结构、起落架部件、尾部结构，以及小型紧固件、弹簧和液压管等。

采用钛合金作机身材料有多方面优势：1）替代钢和镍基高温合金可大大降低飞机质量；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。3）耐腐蚀性良好，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）限制空间内满足强度要求，例如，波音 747 的钛合金起落架梁。

 

军用飞机方面，国外先进战机用钛量占机体结构总质量的 25%左右。美国 F-35 战机钛用量达 27%，F-22 战机钛用量高达 41%，其机身主承力梁和框架采用钛合金整体锻造而成，创造了迄今为止战斗机钛用量的最高纪录。美国 B1 轰炸机和 B2 轰炸机钛合金用量分别为 21%和 26%。美国运输机用钛量也由早期服役的 C5 的 6%增至 C17 的10.3%，俄罗斯伊尔 76 运输机用钛量更是达到了 12%。

 

民航飞机方面，由于复合材料的大量使用，与复合材料相容性更好的钛合金用量也在逐步增长。空客飞机钛用量从第三代 A320 的 4.5％增至第四代 A340 的 6％，A380 的用钛量增加到了 10％，而 A350 客机的钛用量进一步提高到 14％左右；波音飞机用钛量从最初波音 707 的0.5％逐渐增至波音 747 的 4%，再到波音 777 的 7％，波音 787 的用钛量已提高到 15%左右，基本与空客飞机保持同步。俄罗斯的新型客机 MS21 钛合金用量占比高达 25%，是目前民用运输机钛用量的最高纪录。

 

国内方面，军用歼击机从初始用钛量只有 2%的歼 8，逐渐增加至用钛量为 4%的歼 10，歼 11 用钛量增加到 15%，歼 20 用钛量达 20%。大型军用运输机运 20 的钛合金用量为 10%，与美国先进的 C-17 运输机的钛合金用量相当。民用飞机上，商用客机 ARJ21 的钛合金用量 4.8%，而 C919 大型客机广泛采用钛合金，其用钛量已达到 9.3%，主要用于机头、吊挂、尾翼、外翼和中央翼盒等。

 

 

目前，在航空领域使用的钛合金材料主要有 TC4（美 Ti-64 合金）、TC18、TC21、TA15、TB6（美 Ti-1023 合金）等。Ti-64 钛合金是最早问世同时也是最经典的钛合金，其设计使用温度最高可达 350℃。Ti-64 不仅具有耐高温性，还具有十分优良的塑性加工性能，在航空航天领域广泛应用。

 

TC18 具有较大淬透性，适合制造大型锻件。俄罗斯根据波音和空客等民机需求，在 TC18 合金基础上开发了 Ti-55531 钛合金。Ti-55531强度较高，而且具有优越的淬透性和更宽的加工窗口，已在 A380 飞机吊挂接头和起落架支柱等零件上使用。

 

铸造钛合金方面，航空领域应用范围最广、用量最多的铸造钛合金是ZTC4 钛合金。我国研制和生产的钛合金铸件中，ZTC4 和 ZTA15