我国钛合金材料的现状、发展及应用研究

我国钛合金材料的现状、发展及应用研究

王祺

身份证号：37050219950181644青岛港湾职业技术学院 山东省青岛市 266404

摘要：本文对国内外钛及钛合金材料研究进展进行了系统介绍，重点分析了我国钛及钛合金材料及应用的现状和发展趋势，并针对我国钛及钛合金材料及应用研究中存在的问题提出了具体建议。

关键词：钛合金；材料；应用

1、中国钛工业现状

中国钛工业始于1954年，是在党和政府的大力支持下发展起来的。在56年的时间里，中国钛工业走过了研究、扩大试验、工业化、应用推广和快速发展几个阶段。在国民经济强劲发展的拉动下，新世纪以来，中国钛工业走入了发展的快车道，使中国发展成为世界钛工业大国，是第三世界国家中唯一具有完整钛工业体系的国家，这是中国钛业工作者的贡献和骄傲。

1.1产能

就海绵钛而言，2000年以前，中国海绵钛的产能长期维持在2800t/年，其中遵义钛厂2000t/年，抚顺钛厂800t/年；2001年以后海绵钛的产能开始增加；2005年民营企业开始进入海绵钛生产领域；从2005年开始，海绵钛的产能连续3年翻番式增长；2008年和2009年，中国海绵钛产能继续惯性增长，达到79600t。

对钛锭的生产能力而言，2003年有一个翻番增长；2004年、2005年受海绵钛供应紧张的影响，增长平缓，2006年以后，每年均有大幅增长。

1.2产量

2000年至2007年，中国海绵钛的产量一直呈两位数甚至三位数增长，至2007年产量达到45200t，居世界第一位。受金融危机的影响，2008年增长率下降，但产量达峰值49630t；2009年下降17。8%，但产量仍过4万t。2000年以来，中国钛加工材产量一路两位数增长到2008年，达27737t；2009年，受金融危机的影响，产量下降到24965t。

1.3进出口量

从海绵钛的进出口来看，2003年是一个进口的高峰年，达到2824t；随后，随着供应偏紧以及中国海绵钛产量的上升，海绵钛的进口逐年下降，而出口则逐年上升，到2008年，中国出口海绵钛达6292t，净出口则达到5071t；由于金融危机的影响，2009年中国海绵钛的进口量大涨，而出口量大减，又转变成为海绵钛的净进口国。

从钛加工材的进出口来看，由于中国经济的高速、持续发展，由于中国在某些高端钛产品上还不能大量生产，中国进口钛加工材的数量一直较大；而出口则受金融危机的影响，2009年大幅下降约50%，中国又成为钛加工材的净进口国。

1.4需求及需求分配

从总体上说，中国海绵钛的需求量(即销售量)呈上升的趋势，仅在2004年和2008年有两次小幅下降。2004年的下降是因为世界钛需求量快速上升，而中国海绵钛的产能不能迅速增加，而导致供应不足所致。2008年的下降则是受金融危机的影响，需求呈大幅下降所致。

从总体上说，中国钛加工材的销售量也是快速上升的趋势。但在2009年，受金融危机的影响，中国钛加工材的需求量下降了3。2%。

中国最大的用钛领域依次是：化工、航空航天、体育休闲、真空制盐、电力和冶金等。

1.5中国海绵钛和钛加工材产量占世界总产量的比例

2005年以来，随着中国钛工业的快速发展，中国海绵钛和钛加工材的产量迅速增加，在世界总产量中所占比例也大幅上升。2005-2008年，中国海绵钛产量占世界总产量的比例依次是9%、14%、27%和28.7%；钛加工材的比例依次是12.4%、14.9%、19.9%和21.4%。中国已是一个钛工业大国。

1.6中国的主要钛企业

(1)海绵钛企业

遵义钛厂及遵义钛业股份公司：遵义钛厂始建于1965年，是我国规划的重点全流程海绵钛企业。由于需求不足，2000年以前，遵义钛厂的海绵钛产能仅2000t/a，进入新世纪以后，随着我国经济持续高速发展，遵义钛厂的生产技术水平不断提高，产能逐年扩大，2009年该厂的产能已达24000t/a，实际年产量也达到13455t，成为世界级的海绵钛大厂。其产品也获得德国克鲁勃公司的航空级认证，其产品已进入欧洲航空市场。目前该厂正在进一步提高产品质量，并扩大产能，有望在近期内达到年产海绵钛30000t的能力。

抚顺钛业有限公司（原抚顺钛厂）：该厂是我国第一个生产海绵钛的企业，始建于1958年，当时称作抚顺铝厂钛车间。2002年以前，该厂的产能仅800t/a，以后逐步扩产，于2006年达到5000t/a的生产能力。目前该厂正在进行全流程建设。

唐山天赫钛业有限公司：该厂2006年投产，已具有5000t/a海绵钛的生产能力，并正在进行全流程建设。

洛阳双瑞万基钛业公司：该厂2006年投产，已具有5000t/a海绵钛的生产能力，基本上已实现全流程生产。

攀枝花恒为钛业有限公司：该厂2007年投产，已具有5000t/a海绵钛的生产能力，基本上已实现全流程生产。

朝阳百盛锆业有限公司：该企业于2005年投产，现具有8000t/a海绵钛的生

产能力，半流程生产。

神钛业有限公司：该企业于2006年投产，现为宝钛股份控股的半流程海绵钛生产企业，产能为12000t/a。

朝阳金达钛业有限公司：该企业于2006年投产，现具有5000t/a海绵钛的生产能力，半流程生产模式。

(2)钛加工企业

宝钛集团及宝钛股份：宝钛集团始建于1965年，是我国规划的重点钛加工材生产企业。经过几十年的建设，该企业于2008年达到20000t/a钛锭的能力，实际钛加工材年产量达到10000t，成为世界级的钛加工材大厂。该企业装备先进，技术力量雄厚，产品系列完整、丰富，具有钛锭、钛棒、钛板、钛丝、钛锻件、钛铸件、钛设备、复合材等八大系列，是我国军工用钛加工材的主要生产单位。

宝钢股份特殊钢分公司：宝钢股份特殊钢分公司原为上钢五厂，是我国早期从事钛加工材生产的单位之一。该公司在宝钢的统一规划下，重点生产特殊钢和钛加工材。该企业现有完善的钛合金锭生产线、锻造生产线、钛棒生产线和钛合金等温模锻生产线。该企业还正在建设钛带生产线和钛型材挤压生产线，具有很强的发展潜力。

抚钢薄板公司：该企业长期从事钛板的代加工，年生产钛板约1500t。

攀长钢：该企业长期从事钛板的代加工，年生产钛板约1500t。目前，该企业在攀钢集团的统筹规划下，正在进行年产万t钛材项目建设。

西北有色金属研究院：该院是我国第一个以钛为主的稀有金属加工技术的研究院，始建于1965年，长期与宝鸡有色金属加工厂（现为宝钛集团）厂院合一，同属一个单位。该院在钛及其合金新合金开发及加工技术研究方面，具有很强的实力，现正加快钛合金材的产业化开发。

中国科学院沈阳金属所、北京航空材料研究院、洛阳船舶材料研究所、北京有色金属研究总院、西北工业大学、哈尔滨工业大学等单位在新型钛合金开发和钛合金加工技术开发方面也都具有较强的实力。

1.7钛工业的发展趋势

从宏观上来说，需求是拉动行业发展的决定性因素。从整个工业结构来看，钛工业属先导型材料工业，与整个国民经济的发展密切相关。国民经济高速发展时，则钛工业会更快地跳跃式发展；国民经济减速时，则钛工业往往会减速。过年10年，世界和中国钛工业经历了“9.11”危机对钛工业的全面冲击，经历了2004-2007年航空工业和世界经济高速发展所带动的世界钛工业的跳跃性发展，还经历了2008年和2009年世界金融危机所导致的世界钛工业的全面调整。我们正是从这些起起伏伏中，从坚定地看好中国经济走势的大观点出发，从坚定地看好社会进步的大观点出发，我们看好世界及中国钛工业的中长期发展前景。

根据以往的经验，当社会处于稳定发展之中时，钛工业保持年增长率5%-10%是可期的。当世界经济出现急剧变动时，钛工业暂时地调整或短时间的跳跃式发展也将是存在的。

2、钛及钛合金的应用

2.1航空航天应用

航空航天是钛及其合金的主要应用领域，该领域用钛量约占世界总用钛量的50%。

减重是机身材料选择钛合金的主要原因。大型民用宽体飞机机身的主要用钛部件有：机身结构件、机翼结构件、机翼高压油管、舱门、座椅导轮、发动机吊架、起落架等。

飞机液压管道采用钛质比钢质减重达40%，工业纯钛用于飞机上厨房和卫生间的地板。飞机起落架的主要部件越来越多地采用锻造钛合金制造。由于存在潜在的高载荷如鸟的撞击，飞机驾驶舱窗户框架由锻造钛合金制造。

波音777飞机起落架的主要部件几乎都是采用Timetal10-2-3(Ti-10-2-3）合金锻件制造的，使波音777飞机上的钛用量几乎翻一番，每架飞机减重近270kg。

钛合金是航空发动机的关键材料，其主要用钛部件有：发动机机匣，风机叶轮、机座，压气机匣，叶轮、机座，集气管等。

现代燃气涡轮发动机结构重量的1/3左右为钛合金。20世纪50年代初期美国普拉特-惠特尼（Pratt&Whiitney）和英国罗尔斯-罗伊斯公司（Rolls-Royce）生产的早期喷气式发动机就使用了钛合金。

通常，越先进的飞机用钛量越大。如美国第三代战斗机F－15用钛量为26%，而第四代战机F－22用钛量则达到41%。一架波音787飞机用钛量已近100t，用钛比例则高达15%。

在航天工业中，钛合金主要用于制造固体燃料的容器和液体推进剂火箭发动机的机匣、蒙皮、分段的管状结构和各种接合器，以及高压气罐和紧固件等。

由于太空飞行器的有效载荷相对较小，从而这些结构的减重比飞机的减重更为重要。钛合金已在最早的Apollo和水星计划中得到了广泛应用。燃料箱和卫星舱体等都是钛合金的典型应用。

2.2化工用钛

化工生产中，腐蚀是个重大难题。由于腐蚀，每年浪费的钢材数量巨大。钛材在耐腐蚀、耐磨损、耐冲刷方面，有着极其优异的性能。钛制设备虽然一次性投资高，但使用寿命是碳钢、不锈钢和铸铁设备的几倍、几十倍。由于钛材具有密度小、强度高，耐腐蚀性能好等突出优点，成功地解决了化工生产中设备存在的严重腐蚀问题而备受青睐，给化工工业防腐技术带来了一次飞跃。

化工用钛以纯钛居多，主要用钛的部件有各种氧化塔、反应釜、蒸馏塔、各种储槽、各种换热器、各种泵、阀、管道、电极等。化工用钛一直是我国用钛量最大的领域。近10年，我国化工行业用钛量约为7万t，相当于2009年和2010年两年钛材生产量之和。据钛协会统计，2007年、2008年和2009年中国化工用钛量分别是10316t、11556t、11918t，2009年化工用钛量占全国用钛总量的48.0%。

2.3电力用钛

为提高蒸汽轮机的热效率，为了防止蒸汽轮机低压段的水滴腐蚀，蒸汽轮机的低压段大都选用Ti-6Al-4V合金作转子叶片。设在海滨的核电站和火电站为防止腐蚀，均采用全钛凝汽器和海水进出口的衬钛管和衬钛板等。内陆电厂附近的水质不好时，电厂也大都采用全钛凝汽器。为减少腐蚀，火电厂烟囱大都采用了钢钛复合板。

根据已建成电站的经验，一座1100MW的最新核电站需用钛150t，一座600MW的火电站需用钛60t，电力行业是用钛的大户。

随着中国核电站建设的加速，2008年中国进口钛焊管3322t，2009年进口3291t，加上中国每年生产钛焊管约500t，电力行业每年用钛焊管约3800t，

根据国家的核电建设计划，中国目前已在运行的11座核电站总装机容量为906.8万KW，预计2020年将达到6000-7000万kW，中国电力用钛发展的潜力巨大。

2.4海水淡化用钛

海水淡化通常分为闪蒸法和隔膜法。闪蒸法是将海水加热到120-140℃进行真空蒸发制得淡水，因而必须用钛。而隔膜法是在室温下用特种隔膜分离盐和水，可以不用钛。

我国天津的大港电厂和青岛的黄岛电厂利用电厂余热，用闪蒸法生产淡水，其蒸发器的高温端就是用钛管制成。日本则是世界上最大的闪蒸法海水淡化成套设备的生产国，其设备在阿拉伯和日本本土大量使用。

2.5建筑用钛

钛金属耐腐蚀性能优异，表面光泽有很强的质感，而被众多建筑学家青睐，早在上世纪70年代，钛建筑便在日本和欧洲兴起。

日本是建筑用钛最多的国家，其东京大广场、岛根县立美术馆、九洲国立博物馆、大分体育场、金阁寺茶室、浅草寺宝藏门等建筑都是建筑用钛的精典。

日本是海洋国家，大量的海上建筑也多有钛部件，如东京湾横跨道路大桥、梦舞大桥、神户机场联络桥、广岛猿猴川大桥等均采用了钛包覆桥桩。

中国建筑用钛发展也很快。2007年建成的中国国家大剧院钛屋顶和幕布墙用钛38389m2，采用钛复合板368t。2003年建成的杭州大剧院钛屋顶用钛15820m2，采用钛复合板152t。杭州临平东来第一阁钛屋顶用钛3710m2，用钛复合板36t。

2.6高技术领域用钛

钛作为超导材料、形状记忆材料和储氢材料，在这三个领域有重大用途。

近年来，磁约束的国际热核聚变实验堆计划（ITER）正在加紧进行，磁悬浮列车已在德国、日本和中国上海运行，世界各大国正全力研究的舰船用磁流体推进装置，大型激光器计划等，都与Nb-Ti超导材料密切相关，都有力地推动了钛在超导领域的应用。

实际上，Ni-Ti形状记忆合金已步入实用化。形状记忆合金已在航空、航天、人体生物材料上得到广泛应用。

钛系储氢材料也已在电池、氢气净化等领域得到广泛的实际应用。

3、国内外钛合金研制的差距

差距主要体现在以下方面：

1）国内钛合金研究水平与国外相当，在某些方面甚至比国外还要强，如在新型钛合金研究方面，国内近10年非常活跃，而国外很少开展新型钛合金研究。

2）国内在老合金挖潜方面远远落后于国外，如针对典型的TC4合金国外开展了深层次的加工工艺与组织性能关系的研究，改善了TC4合金的性能，扩大了合金的应用，而国内较少开展老合金的挖潜研究工作。

3）钛的应用技术远落后于国外：军事用钛比例低，民用钛领域相对较窄。如美国四代机F22用钛量达到41%（结构重量）、其F119发动机用钛量达到40%，而我国的战机用钛量在3~20%左右。

4）缺乏先进的大型钛合金熔炼技术和装备，对高熔点、易偏析合金大规格铸锭成分均匀性及缺陷控制有待改进。虽然我国已引进了具有90年代末国际先进水平的冷床炉设备和熔炼技术，但从规模上尚与国外差距较大。目前，美国拥有最大的电子束冷床炉，其功率为5.6MW，有8个电子枪，配备2个冷床及不同规格形状的结晶器，2个进料系统，最大锭重达到22700kg，且可生产860mm×1240mm的扁锭可从直接轧板。

5）设备加工能力和加工过程的自动控制水平低，产品性能不稳定、成材率低。我国目前拥有了从铸锭熔炼到最终产品的加工设备，但缺乏大型水压机和挤压机，无法生产大规格的半成品，而且目前的加工设备大多未实现计算机自动控制，均为人工操作，使得产品性能变化较大，成品率仅为50~53%，而美国已达到了60~65%的水平。

6）基础研究薄弱，原创性和革命性的材料设计、工艺技术少。

4、结论

总结我国钛合金材料的现状、发展及应用发现：

1）钛的低成本化制备、加工技术，包括海绵钛生产、钛合金材料设计及加

工过程等的低成本化，这是钛进一步扩大应用的前提条件。

2）大型优质钛合金坯料制备技术，包括新型电子束和等离子冷床炉熔炼技术。

3）高效、短流程钛合金加工技术，包括单次冷床炉熔炼直接轧制技术，钛带连续加工技术生产等。

4）近净成型技术，包括激光成形、精密铸造、精密模锻、超塑成型/扩散连接、喷射成形等。

5）钛的推广应用技术，包括生物医用钛、汽车用钛、建筑用钛等。

6）钛的市场看好，民机用钛量增长迅速。

7）钛工业逐渐趋于国际化，企业竞争与兼并激烈。

8）发展竞争力更强的钛合金，发展方向是高性能化、多功能化和低成本化。

9）积极培育新的钛市场。

10）努力开发高效优质品的生产工艺技术。

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作者简介：性别：女，出生年月：1995年10月，民族：汉，籍贯：山东东营，学历：硕士研究生。