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鈦及鈦合金上下游情況、發(fā)展趨勢(shì)和航空航天、武器裝備領(lǐng)域應(yīng)用
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 超晶科技    2024-08-22

1、鈦及鈦合金的基本情況

金屬鈦是鈦合金的主要元素，鈦在元素周期表中位于第 IVB 族，元素符號(hào) Ti，原子序數(shù) 22，屬于難熔稀有輕金屬，具有熔點(diǎn)高、比重小、比強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。

近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、化工環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域，被譽(yù)為“第三金屬”、“太空金屬”、“海洋金屬”和“全能金屬”。鈦合金是以鈦元素為基，適量加入合金元素，通過(guò)調(diào)整其基體相組成和綜合物理化學(xué)性能而形成的合金。

鈦合金具有高比強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、可焊接及無(wú)磁等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，鈦合金已成為現(xiàn)代航空、航天、艦船、兵器等領(lǐng)域的重要應(yīng)用材料。

根據(jù)基體相組成的不同，鈦合金可分為 α 鈦合金、β 鈦合金及 α+β 鈦合金。其中，α 鈦合金的組織穩(wěn)定，在 500℃-600℃的高溫下能保持較高的強(qiáng)度，但在室溫下的強(qiáng)度相對(duì)較低；β 鈦合金的室溫強(qiáng)度極高，但熱穩(wěn)定性相對(duì)較差；α+β 鈦合金具備良好的綜合性能，其韌性、塑性及高溫變形性能突出，能在 400℃-500℃的高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，且能在熱壓力下對(duì)其進(jìn)行加工。

我國(guó)對(duì)于 α 鈦合金、β 鈦合金及 α+β 鈦合金，分別用 TA、TB 及 TC 來(lái)表示，并根據(jù)鈦和其他合金元素（如鋁、釩、鉬、鋯等）含量比例的不同，確定了不同牌號(hào)并制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如 TC21（鋁鉬鈮鋯錫系）、TB8（鉬鋁鈮硅系）、TC4（鋁釩系）、TC11（鋁鉬鋯硅系）等。

2、鈦及鈦合金行業(yè)的上下游情況

鈦合金材料及制品行業(yè)上游為海綿鈦以及中間合金等。中游是鈦合金材料及制品的生產(chǎn)。鈦合金材料及制品下游應(yīng)用較為廣泛，包括航空航天、軍工裝備、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。公司高性能鈦合金材料以及鍛壓成型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的下游客戶，主要是各軍工集團(tuán)的部裝廠或總裝廠，產(chǎn)品主要應(yīng)用于軍用飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、裝甲車輛、艦船、火炮等。

我國(guó)是全球海綿鈦第一生產(chǎn)大國(guó)。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)數(shù)據(jù)，2022 年我國(guó)海綿鈦產(chǎn)量達(dá)到 17.5 萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng) 25%，占全球海綿鈦產(chǎn)量的 62.72%。豐富的鈦資源儲(chǔ)量和較大的海綿鈦產(chǎn)量為我國(guó)鈦合金材料行業(yè)的發(fā)展提供了有利條件。

從下游市場(chǎng)需求來(lái)看，鈦合金材料及制品在諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其中航空航天和武器裝備是鈦合金材料及制品的重要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著我國(guó)國(guó)防投入的持續(xù)增加、航空航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及武器裝備現(xiàn)代化的推進(jìn)，軍用航空航天以及武器裝備產(chǎn)業(yè)鈦材需求量也呈現(xiàn)快速持續(xù)上升趨勢(shì)。

3、鈦及鈦合金行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)分類，鈦加工材主要包括板材、棒材、管材、絲材、鍛件等。我國(guó)鈦加工材市場(chǎng)整體向好，中低端產(chǎn)品市場(chǎng)受益于化工等行業(yè)需求推動(dòng)，呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，高端產(chǎn)品市場(chǎng)受益于航空航天等領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展和國(guó)產(chǎn)化提升等影響，需求快速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)數(shù)據(jù)，2013-2022 年我國(guó)鈦加工材（包含板材、棒材、管材、絲材、鍛件等）產(chǎn)量從 44,000 噸增長(zhǎng)至 151,000 噸。

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看，全球范圍內(nèi)鈦材主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，占比超過(guò) 50%。我國(guó)受生產(chǎn)技術(shù)水平限制，高端鈦產(chǎn)品仍存在較大產(chǎn)能缺口，鈦材主要應(yīng)用于化工領(lǐng)域。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)數(shù)據(jù)，2022 年國(guó)內(nèi)化工用鈦材比例達(dá)到 50%，而航空航天領(lǐng)域的鈦材比例僅為23%，但航空航天領(lǐng)域的鈦材相較于 2021 年增長(zhǎng) 5 個(gè)百分點(diǎn)，航空航天用鈦材市場(chǎng)處于高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，存在較大的發(fā)展?jié)摿Α?

鈦鍛件是在鈦坯料經(jīng)過(guò)鍛造和熱處理工藝加工而來(lái)。鍛造作為一種金屬熱加工方法，借助于加壓設(shè)備和模具，使金屬坯料或鑄錠通過(guò)局部或全體的塑性變形，達(dá)到制造特定幾何尺寸和形狀的部件（或預(yù)加工零件）并提升其微觀組織和性能的目的。

金屬材料經(jīng)歷鍛造處理后，其形狀和尺寸的穩(wěn)定性顯著提升，內(nèi)部組織更加均衡，纖維組織更加合理，呈現(xiàn)最佳的綜合機(jī)械性能。近年來(lái)，我國(guó)鈦鍛件產(chǎn)量呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)數(shù)據(jù)，2013-2022 年我國(guó)鈦合金鍛件產(chǎn)量從 1,987 噸增長(zhǎng)至 8,000 噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 16.74%，處于高增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

4、鈦及鈦合金在航空航天及武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用情況

飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較多關(guān)注重量問(wèn)題，鈦合金兼有高強(qiáng)度與低密度的特性，對(duì)于結(jié)構(gòu)減重、適應(yīng)高溫與腐蝕服役環(huán)境、提高機(jī)體服役壽命、抗電磁干擾等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在航空領(lǐng)域，鈦合金材料及制品的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為第三代戰(zhàn)斗機(jī)、第四代戰(zhàn)斗機(jī)、新一代客機(jī)機(jī)體及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料。從具體應(yīng)用來(lái)看，鈦合金主要用于承力框、端框、隔框、機(jī)身梁、機(jī)翼梁、蒙皮、緊固件等飛機(jī)主體部件以及風(fēng)扇盤、壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣和涵道等航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

在航天領(lǐng)域，鈦合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，在大幅度降低航天飛行器的結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)可提高航天飛行器結(jié)構(gòu)的抗腐蝕損壞能力，對(duì)增加航天飛行器航/射程、降低燃料消耗、延長(zhǎng)服役壽命、提高服役可靠性等方面均具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)空間飛行器的發(fā)射減重及有效降低在軌調(diào)姿的動(dòng)能慣性，目前衛(wèi)星、火箭、宇宙飛船等空間飛行器大量采用鈦合金材料制造其燃料貯箱、高壓氣瓶、推進(jìn)噴管支撐殼體、緊固件、支撐構(gòu)件、復(fù)合蒙皮等。

航空航天是高性能鈦合金材料及制品的重要應(yīng)用領(lǐng)域。與化工等傳統(tǒng)領(lǐng)域相比，航空航天領(lǐng)域?qū)︹伜辖鸬男阅芤蟾鼮閲?yán)格。例如在機(jī)身結(jié)構(gòu)件中的鈦合金，要求比強(qiáng)度高、降低機(jī)身質(zhì)量、耐腐蝕性良好、與聚合物復(fù)合材料電化學(xué)相容性好等；在航空制動(dòng)系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的鈦合金，要求其在較高的溫度范圍內(nèi)具有很好的瞬時(shí)強(qiáng)度、耐熱性能、持久強(qiáng)度、高溫蠕變抗力和組織穩(wěn)定性等；航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件還對(duì)耐高溫、耐低溫、抗輻射等性能有較高要求。

航空航天用鈦合金技術(shù)先進(jìn)，對(duì)鈦合金的應(yīng)用起到引領(lǐng)作用。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì)數(shù)據(jù)，近年來(lái)，我國(guó)航空航天領(lǐng)域鈦材（包含鈦合金材料及制品）用量高速增長(zhǎng)，2013-2022 年我國(guó)航空航天領(lǐng)域鈦材用量從 4,666 噸增長(zhǎng)至 33,000 噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 24.28%。

在航空航天領(lǐng)域，2013-2022 年我國(guó)航空航天領(lǐng)域鈦材用量占鈦材總消耗量比例從 11.31%增長(zhǎng)至 22.76%，雖然取得了較大幅度的增長(zhǎng)，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 50%左右的國(guó)際平均水平，我國(guó)在航空航天領(lǐng)域的鈦材使用量仍有較大提升空間。

此外，鈦合金材料及制品在艦船、戰(zhàn)車等武器裝備領(lǐng)域也獲得了普遍應(yīng)用。在艦船方面，鈦合金除能達(dá)到減重和耐腐蝕的要求外，還具備高沖擊韌性、高耐應(yīng)力腐蝕性能和高斷裂韌性等特質(zhì)，能夠有效提高武器裝備的可靠性，降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)使用壽命。

在艦船領(lǐng)域，鈦合金的主要應(yīng)用部位包括耐壓殼體、螺旋槳、管道系統(tǒng)、熱交換器、燃?xì)廨啓C(jī)零部件、升降裝置及發(fā)射裝置、聲納系統(tǒng)、系泊裝置等。

在戰(zhàn)車方面，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)模式的轉(zhuǎn)變，要求軍隊(duì)有突出的快速機(jī)動(dòng)能力，因此質(zhì)量輕、運(yùn)輸方便、機(jī)動(dòng)性能好成為了評(píng)判現(xiàn)代陸軍戰(zhàn)車的重要要求，用鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)戰(zhàn)車中的鋼制部件，能有效實(shí)現(xiàn)陸軍粗重裝備的輕量化。

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