隨著飛機(jī)更新?lián)Q代的加速，對飛機(jī)性能要求不斷提高，而飛機(jī)性能的改進(jìn)首先需要從材料入手，既要選用先進(jìn)材料來降低機(jī)體重量，又要考慮材料的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。基于這樣的背景需求，密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的鈦合金越來越被飛機(jī)設(shè)計(jì)者所青睞。
與此同時(shí)，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。
以下為著名材料科學(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，對航空鈦材的應(yīng)用現(xiàn)狀及市場機(jī)遇的分析導(dǎo)向。
TiAl合金、高強(qiáng)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(jì) 50 年代，當(dāng)時(shí)，對飛機(jī)性能的要求越來越高（如軍用飛機(jī)要求超音速），發(fā)動機(jī)由活塞式進(jìn)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(jì)師們苦于尋找新一代比強(qiáng)度更高的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，鈦合金恰好開始工業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)師們?nèi)绔@至寶，一見鐘情地選中它作為壓氣機(jī)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(jī)。自美國于 1956 年在航空發(fā)動機(jī)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(jī)，比國外晚了 12 年。
從 20 世紀(jì) 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(jī)，鈦合金的應(yīng)用受到一定威脅。此時(shí)，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(jī)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(kuò)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(jī)上的應(yīng)用量可能達(dá)到 20%。除了 GE、R·R、CFM 等公司已正式在寬體和窄體客機(jī)上將其應(yīng)用于低壓渦輪葉片外，普·惠公司軍用發(fā)動機(jī)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(jìn)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(jī)作出重要貢獻(xiàn)。”對此，曹院士很有信心。
想成為鈦業(yè)強(qiáng)國、航空強(qiáng)國，曹院士表示，除了在發(fā)動機(jī)上應(yīng)用鈦合金，還需要抓好在機(jī)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(jìn)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(jì)錄，就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)為了達(dá)到減重 2500 千克的目標(biāo)，波音公司不得不在 2006 ～ 2007年期間投入 3 億美元經(jīng)費(fèi)，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(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，用高強(qiáng)高韌鈦合金取代超高強(qiáng)度鋼制造起落架零件的應(yīng)用實(shí)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(jī)大量選用復(fù)合材料之時(shí)，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(jī)等軍用飛機(jī)上鈦合金用量之所以不斷創(chuàng)歷史新高，則除了與客機(jī)相同的上述原因外，成本允許較高、使用條件（飛行速度、機(jī)動性、抗攻擊性等）更惡劣等因素也是促使軍用飛機(jī)的鈦合金用量顯著高于民機(jī)的緣故。例如 F/A-22 的復(fù)合材料用量從初始設(shè)計(jì)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(shí)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(dá) 41% 而創(chuàng)造了戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展史的最高世界紀(jì)錄。
據(jù)曹院士介紹，我國殲 15、殲 31飛機(jī)用到的鈦合金占 25%，“這個(gè)比例已經(jīng)不小了，不過未來預(yù)計(jì)會更大。”曹院士說。
企業(yè)在航空鈦材市場能夠抓住哪些機(jī)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(jī)……“但我們還不是鈦業(yè)強(qiáng)國，特別是高端產(chǎn)品跟國外相比還有一定距離。”曹院士指出，企業(yè)想要在航空鈦材市場分得一杯羹，需要在以下幾個(gè)方面下功夫。
一要注重品位高端化。曹院士強(qiáng)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(jī)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(jī)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。”
二要注重降低成本。曹院士表示，降低成本的潛力其實(shí)很大，從航空、鈦企方面都有空間可以努力。比如通過推進(jìn)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。“像上述這些都是驅(qū)動我們不斷創(chuàng)新的目標(biāo)，從某種角度來說，工藝創(chuàng)新更能降低成本。”曹院士說。
三要注重低污染。不可否認(rèn)，目前我國鈦產(chǎn)業(yè)在開采、冶煉環(huán)節(jié)，還存在比較嚴(yán)重的污染，隨著國家對環(huán)境保護(hù)的日益嚴(yán)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(dá)標(biāo)，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(bǔ)充說，“企業(yè)要獲得市場機(jī)遇，我們要發(fā)展成鈦業(yè)強(qiáng)國，上述三個(gè)方面缺一不可，一定要花大力氣去做。”
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(qiáng)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(gè)鈦業(yè)強(qiáng)國。”
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