本刊記者 王籽楠 |文

院士談航空鈦材市場機遇

本刊記者 王籽楠 |文

航空工業(yè)對世界鈦材需求量的影響很大，近日，記者專訪了中國科學(xué)院院士曹春曉，了解航空鈦材的應(yīng)用現(xiàn)狀及市場機遇。曹院士指出，TiAl合金、高強高韌鈦合金等材料未來前景美好；同時，對于把握航空鈦材市場機遇而言，企業(yè)應(yīng)在“高品位、低成本、低污染”這三方面下功夫。

隨著飛機更新?lián)Q代的加速，對飛機性能要求不斷提高，而飛機性能的改進首先需要從材料入手，既要選用先進材料來降低機體重量，又要考慮材料的可靠性和經(jīng)濟性。基于這樣的背景需求，密度低、強度高、耐腐蝕性好的鈦合金越來越被飛機設(shè)計者所青睞。與此同時，就世界范圍而言，鈦在航空領(lǐng)域的用量占其總用量的50%左右，因此，航空工業(yè)對世界鈦材需求量的影響很大。

近日，本刊記者專訪了著名材料科學(xué)家、中國科學(xué)院院士、中國鈦合金研究與應(yīng)用的創(chuàng)始人之一——曹春曉，了解航空鈦材的應(yīng)用現(xiàn)狀及市場機遇。

TiAl合金、高強高韌鈦合金等材料未來前景美好

鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀50年代，當(dāng)時，對飛機性能的要求越來越高（如軍用飛機要求超音速），發(fā)動機由活塞式進化為渦噴式，原有的鋼鋁結(jié)構(gòu)也不再適應(yīng)新的要求。當(dāng)設(shè)計師們苦于尋找新一代比強度更高的結(jié)構(gòu)材料時，鈦合金恰好開始工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)計師們?nèi)绔@至寶，一見鐘情地選中它作為壓氣機轉(zhuǎn)子的試用材料，并積極開展應(yīng)用研究工作。

在美國，鈦合金于1954年被應(yīng)用于航空發(fā)動機。自美國于1956年在航空發(fā)動機上使用了Ti-6Al-4V合金后，該合金一直以“鈦中之王”和“駿馬合金”的美稱穩(wěn)坐航空用鈦合金的第一把交椅。我國則于1966年成功將TC4鈦合金轉(zhuǎn)子零件應(yīng)用于渦噴6發(fā)動機，比國外晚了12年。

從20世紀90年代開始，隨著樹脂基復(fù)合材料趨于成熟而開始介入航空發(fā)動機，鈦合金的應(yīng)用受到一定威脅。此時，能顯著提高鈦材使用溫度的新型鈦基合金（TiAl、Ti基復(fù)材）出現(xiàn)，它猶如一匹“黑馬”，使鈦在發(fā)動機中的總用量基本穩(wěn)定。

曹院士告訴記者，未來TiAl合金這匹“黑馬”將一發(fā)而不可收，并不斷擴大它的勢力范圍。美國NASA預(yù)測，到2020年，Ti-Al金屬間化合物在航空發(fā)動機上的應(yīng)用量可能達到20%。除了GE、R·R、CFM等公司已正式在寬體和窄體客機上將其應(yīng)用于低壓渦輪葉片外，普·惠公司軍用發(fā)動機上也打算應(yīng)用TiAl合金。

“我國在Ti-Al金屬間化合物的基礎(chǔ)研究、預(yù)先研究和應(yīng)用研究方面已取得很重要的進展，如中科院金屬所已研制出TiAl合金低壓渦輪葉片精密鑄件、北京航空材料研究院已研制出TiAl合金模鍛葉片等，未來TiAl合金一定能為我國自主研發(fā)的航空發(fā)動機作出重要貢獻。”對此，曹院士很有信心。

想成為鈦業(yè)強國、航空強國，曹院士表示，除了在發(fā)動機上應(yīng)用鈦合金，還需要抓好在機體上應(yīng)用鈦合金的工作。輕量化等方面的剛性需求是促進鈦用量不斷創(chuàng)新高的最重要原因之一。如波音787曾創(chuàng)下鈦用量15%的紀錄，就是因為當(dāng)時為了達到減重2500千克的目標，波音公司不得不在2006～2007年期間投入3億美元經(jīng)費，研究某些部位用鈦合金取代鋁合金以解決超重問題，否則將不能兌現(xiàn)減少燃油消耗20%的關(guān)鍵性承諾。為實現(xiàn)輕量化目標，用高強高韌鈦合金取代超高強度鋼制造起落架零件的應(yīng)用實例也不斷出現(xiàn)。

此外，鈦合金與復(fù)合材料之間不會產(chǎn)生接觸腐蝕，很適合用來制造緊固件等與復(fù)合材料接觸的零部件。因此，在新一代客機大量選用復(fù)合材料之時，作為復(fù)合材料“最佳伴侶”的鈦合金，其用量的猛增也含有一些“水漲船高”的意味。

至于戰(zhàn)斗機等軍用飛機上鈦合金用量之所以不斷創(chuàng)歷史新高，則除了與客機相同的上述原因外，成本允許較高、使用條件（飛行速度、機動性、抗攻擊性等）更惡劣等因素也是促使軍用飛機的鈦合金用量顯著高于民機的緣故。例如F/A-22的復(fù)合材料用量從初始設(shè)計的47.7%降至后期的24.2%，眾多原因之一就是一些復(fù)合材料零部件的抗實彈射擊能力較差而不得不改用鈦合金。F/A-22最終的鈦合金用量高達41%而創(chuàng)造了戰(zhàn)斗機發(fā)展史的最高世界紀錄。

據(jù)曹院士介紹，我國殲15、殲31飛機用到的鈦合金占25%，“這個比例已經(jīng)不小了，不過未來預(yù)計會更大?！辈茉菏空f。

企業(yè)在航空鈦材市場能夠抓住哪些機遇

毋庸置疑，我國已經(jīng)是鈦業(yè)大國。特別是近20年，我國鈦工業(yè)發(fā)展速度很快，從海綿鈦到鈦材，我國鈦產(chǎn)量排名世界第一；生產(chǎn)能力也在不斷提高，我國擁有可產(chǎn)生8萬噸壓力的模鍛液壓機……“但我們還不是鈦業(yè)強國，特別是高端產(chǎn)品跟國外相比還有一定距離?！辈茉菏恐赋?，企業(yè)想要在航空鈦材市場分得一杯羹，需要在以下幾個方面下功夫。

一要注重品位高端化。曹院士強調(diào)，高品位不單是指性能要求高，更重要的是產(chǎn)品穩(wěn)定性要好，不光一批材料符合要求就行，而是幾十批幾百批生產(chǎn)出來的產(chǎn)品都一樣好，那在市場上的信任度肯定就高，企業(yè)就應(yīng)該抓住這樣的市場機會，使自己能夠生產(chǎn)出高品位材料。而且，這對民營企業(yè)而言也是很大的機會，曹院士說：“以后用航空材料是由市場來決定的，誰家好就用誰家的，誰家便宜用誰家的?！?/p>

二要注重降低成本。曹院士表示，降低成本的潛力其實很大，從航空、鈦企方面都有空間可以努力。比如通過推進軍民融合、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合以及行業(yè)大協(xié)作等，可以降低成本；比如提高廢料利用率，目前國外至少有30%的鈦合金廢料被重新用到航空領(lǐng)域，但在我國，航空用鈦材基本是百分百全新的，而且相關(guān)的廢料處理技術(shù)也不夠成熟?！跋裆鲜鲞@些都是驅(qū)動我們不斷創(chuàng)新的目標，從某種角度來說，工藝創(chuàng)新更能降低成本?！辈茉菏空f。

三要注重低污染。不可否認，目前我國鈦產(chǎn)業(yè)在開采、冶煉環(huán)節(jié)，還存在比較嚴重的污染，隨著國家對環(huán)境保護的日益嚴格，環(huán)保將成為任何企業(yè)、行業(yè)不可逾越的一條紅線，可以這么說，以后如果環(huán)保不達標，企業(yè)將無法繼續(xù)生產(chǎn)。

“因此，企業(yè)想要在環(huán)保投入方面做節(jié)省文章是不合適的。”曹院士補充說，“企業(yè)要獲得市場機遇，我們要發(fā)展成鈦業(yè)強國，上述三個方面缺一不可，一定要花大力氣去做?！?/p>

談到未來航空鈦合金的發(fā)展，曹院士表示，更高的品位、更高的溫度、更高的強度是發(fā)展方向。另外，要特別重視TiAl合金的發(fā)展，“我們國家要想辦法在TiAl合金材料方面趕上并超越，并最終在國際上占有一定位置，這樣才能真正變成一個鈦業(yè)強國?！?/p>