高強度TC4鈦合金材料助力航空鈦工業的新應用

隨著飛機更新換代的加速，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計者所青睞。

與此同時，就世界范圍而言，鈦在航空領域的用量占其總用量的 50% 左右，因此，航空工業對世界鈦材需求量的影響很大。

以下為著名材料科學家、中國科學院院士、中國鈦合金研究與應用的創始人之一——曹春曉，對航空鈦材的應用現狀及市場機遇的分析導向。

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域的應用始于 20世紀 50 年代，當時，對飛機性能的要求越來越高（如軍用飛機要求超音速），發動機由活塞式進化為渦噴式，原有的鋼鋁結構也不再適應新的要求。當設計師們苦于尋找新一代比強度更高的結構材料時，鈦合金恰好開始工業化生產，設計師們如獲至寶，一見鐘情地選中它作為壓氣機轉子的試用材料，并積極開展應用研究工作。

在美國，鈦合金于 1954 年被應用于航空發動機。自美國于 1956 年在航空發動機上使用了 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鈦合金轉子零件應用于渦噴 6 發動機，比國外晚了 12 年。

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

曹院士告訴記者，未來 TiAl 合金這匹“黑馬”將一發而不可收，并不斷擴大它的勢力范圍。美國 NASA 預測，到 2020 年，Ti-Al 金屬間化合物在航空發動機上的應用量可能達到 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用于低壓渦輪葉片外，普·惠公司軍用發動機上也打算應用 TiAl 合金。

“我國在 Ti-Al 金屬間化合物的基礎研究、預先研究和應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的航空發動機作出重要貢獻。”對此，曹院士很有信心。

想成為鈦業強國、航空強國，曹院士表示，除了在發動機上應用鈦合金，還需要抓好在機體上應用鈦合金的工作。輕量化等方面的剛性需求是促進鈦用量不斷創新高的最重要原因之一。如波音 787 曾創下鈦用量 15% 的紀錄，就是因為當時為了達到減重 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，否則將不能兌現減少燃油消耗 20%的關鍵性承諾。為實現輕量化目標，用高強高韌鈦合金取代超高強度鋼制造起落架零件的應用實例也不斷出現。

此外，鈦合金與復合材料之間不會產生接觸腐蝕，很適合用來制造緊固件等與復合材料接觸的零部件。因此，在新一代客機大量選用復合材料之時，作為復合材料“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。至于戰斗機等軍用飛機上鈦合金用量之所以不斷創歷史新高，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 的復合材料用量從初始設計的 47.7% 降至后期的 24.2%，眾多原因之一就是一些復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% 而創造了戰斗機發展史的最高世界紀錄。

據曹院士介紹，我國殲 15、殲 31飛機用到的鈦合金占 25%，“這個比例已經不小了，不過未來預計會更大。”曹院士說。

企業在航空鈦材市場能夠抓住哪些機遇

毋庸置疑，我國已經是鈦業大國。特別是近 20 年，我國鈦工業發展速度很快，從海綿鈦到鈦材，我國鈦產量排名世界第一；生產能力也在不斷提高，我國擁有可產生8萬噸壓力的模鍛液壓機……“但我們還不是鈦業強國，特別是高端產品跟國外相比還有一定距離。”曹院士指出，企業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，高品位不單是指性能要求高，更重要的是產品穩定性要好，不光一批材料符合要求就行，而是幾十批幾百批生產出來的產品都一樣好，那在市場上的信任度肯定就高，企業就應該抓住這樣的市場機會，使自己能夠生產出高品位材料。

而且，這對民營企業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。”

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、產學研結合以及行業大協作等，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域，但在我國，航空用鈦材基本是百分百全新的，而且相關的廢料處理技術也不夠成熟。“像上述這些都是驅動我們不斷創新的目標，從某種角度來說，工藝創新更能降低成本。”曹院士說。

三要注重低污染。不可否認，目前我國鈦產業在開采、冶煉環節，還存在比較嚴重的污染，隨著國家對環境保護的日益嚴格，環保將成為任何企業、行業不可逾越的一條紅線，可以這么說，以后如果環保不達標，企業將無法繼續生產。“因此，企業想要在環保投入方面做節省文章是不合適的。”曹院士補充說，“企業要獲得市場機遇，我們要發展成鈦業強國，上述三個方面缺一不可，一定要花大力氣去做。”

談到未來航空鈦合金的發展，曹院士表示，更高的品位、更高的溫度、更高的強度是發展方向。另外，要特別重視 TiAl 合金的發展，“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強國。”

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