鈦合金工業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展

一、鈦工業(yè)的發(fā)展
鈦及其合金由于密度小(4.51g/cm3)、強度高（有的達到1000MPa）、比強度大、高低性能優(yōu)異，因此首先被廣泛應(yīng)用于航空、航天等行業(yè)，成為軍事工業(yè)不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。除此之外，鈦及其合金在很多化學介質(zhì)中優(yōu)異的耐腐蝕性能及其它綜合性能，又被石油、化工、醫(yī)藥、體育等民用行業(yè)廣泛接受，逐步取代各種金屬材料，在短時間內(nèi)躍居金屬材料使用的第三位。
鈦元素發(fā)現(xiàn)于1789年，1908年挪威和美國開始用硫酸法生產(chǎn)鈦白，1910年在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦，1948年美國杜邦公司(DUPONT)才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦，這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。
反應(yīng)過程如下： TiO2+Cl2 → TiCl4
TiCl4+Mg → Ti
可見鈦材生產(chǎn)過程中涉及劇毒化學介質(zhì)氯氣（二戰(zhàn)中的化學武器哦）和貴金屬鎂，而且反應(yīng)過程需要大量的能量，這就是鈦材昂貴的原因。這個過程冶煉出來的鈦材還不能用于生產(chǎn)，因為它還是多孔疏松狀的，形似海綿，稱為海綿鈦，海綿鈦將被置于真空自耗電弧爐中冶煉出鈦錠，用于板材、棒、管子及其他形式鈦材的生產(chǎn)。
我國鈦資源豐富，礦產(chǎn)比較集中，換算成TiO2總儲量達90億多噸，為世界第一。鈦礦主要分布在四川、云南、廣東、廣西和海南等省區(qū)，其中攀枝花地區(qū)的蘊藏量占世界總儲量的35%。然而，同世界主要鈦礦產(chǎn)地相比，我國的天然金紅石（TiO2）資源少，易開采利用的砂礦少。鈦礦多為鈦釩鐵共生巖礦，選冶起始成本高。說到這里還有必要提及一個故事，當初攀枝花鋼鐵集團冶煉鋼材后的礦渣堆放在攀鋼集團的一角，很久也沒有發(fā)現(xiàn)這種礦渣里面竟然含有貴金屬鈦。后來日本人對攀鋼考察的時候提出要購買我們的礦渣，這才讓我們的國家注意上了攀鋼礦渣的具體真面目，當然回絕了日本。
中國鈦工業(yè)起步于20世紀50年代，1954年北有色金屬研究總院開始進行海綿鈦制備工藝研究，1956年國家把鈦當作戰(zhàn)略金屬列入了12年發(fā)展規(guī)劃，1958年在撫順鋁廠實現(xiàn)了海綿鈦工業(yè)試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產(chǎn)車間，同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工材生產(chǎn)試驗車間。
1980年前后，我國海綿鈦產(chǎn)量達到2800噸，然而由于當時大多數(shù)人對鈦金屬認識不足，鈦材的高價格也限制了鈦的應(yīng)用，鈦加工材的產(chǎn)量僅200噸左右，我國鈦業(yè)陷入困境。
截止到2003年底，我國海綿鈦的年產(chǎn)能力為4000噸，其中遵義鈦廠3000噸（擴建項目2005年基本上完工，年產(chǎn)可超過5000噸），撫順鈦廠1000噸。由于近年來我國持續(xù)發(fā)展的國民經(jīng)濟對鈦材的需求旺盛，上述兩廠均能滿負荷生產(chǎn)，2003年的總產(chǎn)量也是4000余噸，2004年達到4809噸。
2002年，我國進口海綿鈦2147噸，出口11噸，凈進口2136噸；2003年1-11月份，我國進口海綿鈦2609.9噸，出口72.7噸，凈進口2534.2噸。
2002年我國生產(chǎn)海綿鈦3328噸，實際銷售3079噸；2003年我國生產(chǎn)海綿鈦4112噸，銷售4128噸?？墒怯捎趪H大化工、航空航天業(yè)的規(guī)模發(fā)展，已經(jīng)讓國際鈦材走向供不應(yīng)求的局面，導致從2002年來我國鈦材瘋狂上漲的局面。
鈦加工材的產(chǎn)能決定于鈦錠的生產(chǎn)能力，也就是國家擁有真空自耗電弧爐的總體噸位。我國基本具有了20000t/a的鈦錠生產(chǎn)能力。以70%可轉(zhuǎn)化成鈦材計，基本具有了14000t/a的生產(chǎn)能力。
據(jù)初步統(tǒng)計，2003年我國實際生產(chǎn)鈦材約6000噸，占世界總產(chǎn)量的10%左右?？梢娭袊拟伡庸すI(yè)還不是很發(fā)達，需要時間和投入。
目前，我國鈦加工及其制造業(yè)在地理上體現(xiàn)了三分天下的格局：以寶雞為中心的西北地區(qū)。這個地區(qū)以寶雞有色金屬加工廠及其控股的寶雞鈦業(yè)有限公司為龍頭，形成了我國專業(yè)化程度最高、加工設(shè)備最系統(tǒng)化、產(chǎn)品規(guī)格最多的鈦加工及其制造業(yè)基地。西北地區(qū)的鈦材主要供給給國家的軍事生產(chǎn)部門，民用的設(shè)備生產(chǎn)部門，部分出口到波音，麥道，羅-羅等著名公司。
以沈陽有色金屬加工廠、撫順特鋼板材有限責任公司、沈陽東方鈦業(yè)有限公司等單位為主形成了東北鈦加工及設(shè)備制造集團，該地區(qū)中小企業(yè)多，鈦設(shè)備制造頗為活躍，由于東北是我國的老重型工業(yè)基地，人才是不缺的，缺的就是強化的管理和綜合組織能力，尤其是在地方優(yōu)惠政策的扶持下也將形成一定的氣候。
以寶鋼集團上海五鋼有限公司、南寶鈦中惠集團有限公司、張家港市宏大鋼管廠等單位為主形成了長江三角洲鈦加工及其設(shè)備制造集團。長三角地區(qū)的有色金屬的設(shè)備的加工能力已經(jīng)可以體現(xiàn)我國在這個方面的實力，每年在有色方面的設(shè)備大量出口，質(zhì)量可靠，已經(jīng)有部分質(zhì)量，管理比較成功的企業(yè)走進了軍工制造的大門。雖說沒有大規(guī)模的軍品生產(chǎn)，但也能充分說明我們的制造能力和鈦材在軍事上的應(yīng)用的前景。
在2005年前后，我國海綿鈦和鈦加工材的單廠產(chǎn)能達到年產(chǎn)5000噸的基本經(jīng)濟規(guī)模，加上振興東北計劃中的5000噸/年海綿鈦項目，基本上能實現(xiàn)我國幾代鈦業(yè)工作者的宿愿，上一個大臺階，必將使我國成為鈦工業(yè)的強國。
世界上能完成鈦礦山—冶金—加工—鈦設(shè)備制造及科研—設(shè)計—應(yīng)用兩個完整體系的國家只有四個：美國，蘇聯(lián)/俄羅斯，日本，中國。這也是現(xiàn)代冶金工業(yè)的典范。鈦生產(chǎn)大國都是發(fā)達國家和前蘇聯(lián)的國家（除中國外），鈦生產(chǎn)工藝的特殊性讓資金不雄厚的國家進退兩難。作為主導世界航空工業(yè)的金屬，鈦材料正成為一些國家謀求世界航空主導權(quán)的工具，想必大家都知道了近期俄羅斯總統(tǒng)普下令合并俄羅斯數(shù)大飛機制造商，成立聯(lián)合航空制造集團的事情，這只是老毛子謀求航空主導權(quán)的第一步，緊接著俄羅斯媒體透露，俄羅斯國防出口公司正在與鈦合金巨頭阿維斯瑪公司進行股權(quán)收購談判，這表明俄羅斯在當今的國際形式下不僅大打能源排，利用“安大線”和“安納線”把中國和小日本拴在一起玩弄，而且把爪子伸向了具有戰(zhàn)略意義的稀有金屬領(lǐng)域，企圖為俄羅斯的崛起創(chuàng)造人為的條件！
由于阿維斯瑪公司全球飛機制造業(yè)的最大材料供應(yīng)商（供應(yīng)波音35%的鈦材和空客50%的鈦材），除每年要供應(yīng)波音25~45萬噸產(chǎn)品（含鎂合金），還要增加深加工產(chǎn)品的份額，同時俄羅斯還和波音和空客都有合作項目（新型飛機研發(fā)制造公司），不難看出俄羅斯想把材料的優(yōu)勢變成技術(shù)轉(zhuǎn)讓的籌碼的野心，此其一，二則是俄羅斯總統(tǒng)已經(jīng)下令設(shè)計制造新型飛機，欲與波音/空客試比高！并已經(jīng)給蘇霍伊公司下了貸款擔保，確保后者的RRJ型支線飛機的研制計劃順利進行，本人覺得對一個支線飛機如此興師動眾，十有八九不是針對中國的ARJ21來的，就是俄羅斯大戰(zhàn)前的練兵行為，可見老毛子的崛起之心是很強烈的。
二、鈦在國防工業(yè)上的應(yīng)用
（1）．我國國防工業(yè)使用鈦的情況
無論是美國還是俄羅斯，其鈦材主要應(yīng)用于飛機制造業(yè)和造船業(yè)。近年來，我國這兩個領(lǐng)域發(fā)展很快，不斷有新型飛機量產(chǎn)，在研的項目也很多，估計這兩個領(lǐng)域的用鈦量將會大幅增加，而且也有報道說明我們的F10上也使用了較多的鈦合金，前段時間還有網(wǎng)友在鐵血網(wǎng)站上貼出了我國新型的鈦合金發(fā)動機罩和強5戰(zhàn)機的機翼鈦合金連接件的圖片?？梢娢覈阝伜辖鹗褂蒙厦嬖缫殉墒?，假以時日，我們的鈦合金的應(yīng)用也能讓航空航天工業(yè)飛躍。在航天領(lǐng)域，中國第一臺大型全鈦紫外太空望遠鏡也已經(jīng)制造并實驗完畢，鈦合金在太空領(lǐng)域的應(yīng)用前途光明。
每種鈦合金都有各自的用途。飛機制造和航天工業(yè)運用鈦合金大家已經(jīng)十分了解，在社會生活及在機械業(yè)中的使用更是多多，象眼鏡架啊，高爾夫球桿啊，超級運動自行車啊，等等。但在陸軍和海軍中的使用我們卻是知之甚少，而且相關(guān)的文章和說明也不是很多，下面就列舉一些我國高性能鈦合金在國防工業(yè)的應(yīng)用情況。
1.發(fā)動機業(yè)：
鈦5Al2.5Sn高強鈦合金—齒輪套、發(fā)動機外殼、葉片罩
鈦8Al1Mo1V高鈦合金—發(fā)動機葉片、陀螺儀導向罩、內(nèi)蒙皮
鈦6Al4V（抗拉強度≥895MPa）熱處理強化鈦合金—核心機葉片及葉輪
2.航空業(yè)：
鈦6Al2Sn強化鈦合金—緊固件、導向裝置、重要結(jié)構(gòu)
鈦4AlMo1V鈦合金—飛機骨架
鈦Sn5Zr1Mo鈦合金—起落架、飛機承重架、緊固件
F22和殲十都應(yīng)用了鈦合金材料
3.航天業(yè)
鈦合金1M1315—火箭機盤、導彈基座構(gòu)件
鈦合金1M1550—導彈動力葉片套
鈦合金T-A6V—飛船主用材料
4.陸軍業(yè)
我國已經(jīng)研制成功了83-1型和83-2型兩種迫擊炮。83-1型82迫擊炮廣泛采用了鈦合金，把全炮重量降低到18.1公斤，極其方便班、排這樣的小單位的襲擾戰(zhàn)的開展。
鈦A7D—新型裝甲車輛力學分析鍛件
鈦A6Z5W—反坦克火箭（導彈），地空導彈罩等抗蠕變性要求高的部件
鈦1M1551—某裝甲車輛火力高速旋轉(zhuǎn)部件
5.海軍業(yè)
LT41鈦合金—艦船大面積蒙皮
3.7114鈦合金—可焊性優(yōu)良，成型性好適合各種水密隔層
鈦V13CA鈦合金—蜂窩狀艦身，承重框架
鈦合金在艦船上使用是很有前途的。這跟鈦合金的強度、韌性有關(guān)系，還有就是耐腐蝕性，海水中的鈦是極其穩(wěn)定的，基本上可以認為船體是不會腐蝕的，這樣既可以減少維護的費用，也可以減輕船體的重量，對艦艇來講是莫大的好處啊。除此之外，還有必要提及兩點：第一個鈦是無磁性的，對抗磁性探測有很大的幫助，至于什么磁性水雷啊，不值擔心。二是跟先進的艦船復合材料涂層有天生的融合性，未來將使用的隱身復合材料有個缺點，就是跟以前艦船使用的高強特種鋼起反應(yīng)，由于電位差容易在海水中產(chǎn)生電偶，加快腐蝕，這種事情在052上曾經(jīng)試驗過，不用多久就會銹蝕斑斑，但這些涂料跟鈦合金能完美整合。
（2）其他國家國防工業(yè)使用鈦的情況
世界上已經(jīng)退役的，正在服役的或者在研武器裝備中，很多都使用了鈦及其合金的結(jié)構(gòu)件，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭模式的轉(zhuǎn)變，要求現(xiàn)代化的軍隊的快速機動能力十分突出，所以對于陸軍來說必須依仗運輸機的能力來達到快速的機動，這就要求陸軍本來粗重的裝備盡量的輕型化，比如現(xiàn)在各國都希望自己的炮兵能快速有效的迅速轉(zhuǎn)移到另外一個地方，達到戰(zhàn)略或者戰(zhàn)術(shù)上的目的，這必然使鈦合金在火炮領(lǐng)域的發(fā)展前途一片光明，象美國的M777輕型榴彈炮，由于使用了鈦合金外殼，戰(zhàn)斗全重下降到了3.175噸，可以使用V22或者C130空運，達到快速機動的能力。類似的還有英國的UFH超輕型155毫米火炮，不到4噸的重量里面使用了1噸的鈦合金。在空軍和海軍裝備的領(lǐng)域則更是如此，下面就簡單的介紹鈦合金成功應(yīng)用的典型事例：
①飛機用鈦數(shù)據(jù)（未注明均指毛坯用量）
國際鈦協(xié)會2002年10月在美國奧蘭多舉辦的年會上公布了下列飛機用鈦新數(shù)據(jù)：
1.　計劃于2004年問世的第一架超大型客機—空客A380，用鈦量為45t/架-65t/架；
2.　波音客機，用鈦量占其總重的15%-17%（凈重）；
3.　F15戰(zhàn)斗機，結(jié)構(gòu)用鈦5.75t，2臺噴氣發(fā)動機用鈦5t；
4.　F22戰(zhàn)斗機（正在開發(fā)中），結(jié)構(gòu)用鈦36t，2臺發(fā)動機用鈦5t；
5.　聯(lián)合開發(fā)的F 戰(zhàn)斗機，結(jié)構(gòu)用鈦10t，單臺發(fā)動機用鈦5t；
6.　F18艦載戰(zhàn)斗機，用鈦量占其總重的12%-13%（凈重）；
7.　C-17大型運輸機，用鈦量占其總重的10%（凈重）；
8.　歐洲EF2000，將減少用鈦量，改為復合材料。
由此可見鈦在世界航空航天領(lǐng)域的重要地位，尤其是在發(fā)動機制造，機體制造方面更是如此。
上文提到俄羅斯有意加強對戰(zhàn)略稀有金屬鈦進行控制，已經(jīng)引起了美國的注意，畢竟美國下一代戰(zhàn)機的用鈦比例很大，如果俄羅斯國防出口公司控制了阿維斯瑪公司的大部分股權(quán)的話，國際鈦合金的價格上揚將不可避免，這樣F-22和F- 的項目將有不確定的因素在里面。所以近期美國最大的鈦材商Timet已經(jīng)來到中國尋求潛在的合作伙伴，希望在中國的市場上找到類似俄羅斯的供應(yīng)商或者可以合資建廠，把中國生產(chǎn)的鈦材用在美國的項目上，在價格上很有優(yōu)勢，而且質(zhì)量可靠，可以說對未來美軍F-22和F- 的項目很有幫助。（讓偶郁悶啊~~~）
某一種全球性材料供應(yīng)如此突出的影響國防工業(yè)，很少見，這也是自二戰(zhàn)鋼鐵緊缺以來的第一次，所以F-22和F- 的價格將取決于未來鈦的供應(yīng)情況。
現(xiàn)今全球經(jīng)濟已經(jīng)逐步走出低谷，國際航空業(yè)開始出現(xiàn)恢復性增長，國際鈦材行業(yè)也隨著這個大潮迎來快速增長的新時期，中國企業(yè)也將迎來新的機遇。（悲還是喜啊？）
近幾年是第四代戰(zhàn)斗機的換代的起始,隨后的很多年里面,每年將有很多新型戰(zhàn)斗機進入軍隊。新型戰(zhàn)斗機在選材上很有講究和前瞻性，在未來很多年內(nèi)，軍事和航空工業(yè)必然是鈦材的第一大用戶。
霉菌近期又公布了一種新型的潛艇攜帶的“鸕鶿”無人攻擊機的概念?！胞R鶿”無人機的長度為5.8米，翼展4.86米，屬于多次重復使用的無人戰(zhàn)斗機機?！胞R鶿”是由著名的洛-馬公司臭鼬工廠提出概念設(shè)計的，因為其出入的通道主要是海水，因此全機為鈦合金制成，以防止腐蝕的產(chǎn)生，總起飛重量不超過4噸，可攜帶453千克的有效載荷，考慮使用方式主要是從俄亥俄級核潛艇的戰(zhàn)略導彈發(fā)射筒發(fā)射，主要用于摧毀近海岸目標。該機的進氣口位于機頭部位，呈三角形。由于采用了鈦合金，其機體強度極高，可承受150英尺水深的壓力。并且為了防止外壓失穩(wěn)的發(fā)生，機體的內(nèi)部不必要的空間一律使用特殊的塑料進填充。為了增加飛行的隱蔽性，其外形也采用了復雜的隱身設(shè)計?！胞R鶿”的最大飛行速度預計將達到880千米/小時，巡航速度為550千米/小時，最高飛行高度10.7千米，作戰(zhàn)半徑達926千米，可持續(xù)飛行3個小時。鈦的優(yōu)良品質(zhì)被體現(xiàn)的淋漓盡致??！
鈦及其合金的性能無庸質(zhì)疑，各種鈦合金的冶金過程對大國來說也是很常規(guī)的東西，只是考慮成本的問題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國防上的特殊要求也有能力去保證了，所以說鈦及其合金在未來的民用和軍用領(lǐng)域都將迎來快速的發(fā)展。同時鈦及其合金也將大大提升部分特殊裝備的性能。
鈦及其合金的前途不可估量！