隨著航空工業的發展，飛機更新換代的加速，飛機性能不斷提高。而新型高效飛機首先要求其材料具有質輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化和加工成形性好等良好的綜合性能，既要保證飛機機體和發動機零件在受力、高溫、腐蝕和其他作用條件下有較強的工作能力，又要使飛機達到高的技術品質。鈦及鈦合金由于具有密度低、比強度高（優于鋁合金和鋼）、耐熱、抗沖擊、耐腐蝕等優異性能，而且與飛機大量使用的復合材料有很好的電化學相容性，因此鈦合金為飛機設計者所青睞，在飛機上的用量不斷增加。本文主要分析了鈦材應用于哪些飛機機體和發動機上，今后全世界會大量生產何種飛機，由此對鈦材用量的增加會帶來怎樣的期待。

    一、鈦材在飛機上的應用部位

    1. 機體

    從1970年始航的B747、1995年始航的B777、2011年始航的B787、已完成試航的A350等大型飛機所使用的材料（見圖1）可以看出，過去飛機機體中鈦合金的用量不多，如20年前B777機體質量的7%為鈦合金，而鋁合金占到了70%。而現在，鈦合金和以碳纖維增強復合材料（CFRP）為主的復合材料的用量不斷增加。如B787客機大大減少了鋁合金的用量，主要原因是鋁合金有以下2個缺點：①CFRP與鋁合金直接接觸，可能使鋁合金發生電偶腐蝕；②鋁合金與CFRP的熱膨脹系數相差太大。鈦的使用可消除上述問題，因此B787客機成倍增加了鈦的用量，提高到占機體質量的約15%。表1為波音公司和空客公司主要機型鈦材用量。

    圖1  飛機用各種材料占比

    表2列出了到目前為止鈦及鈦合金在飛機上的使用狀況。鈦（Ti）-6鋁（Al）-4釩（V）合金不僅適合用作飛機很多種的機械部件，也適合用于起落架那樣的特殊裝置部件。因此飛機機體所使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V合金的用量最大，占機體結構件用鈦合金的80%～90%[8]。Ti-6Al-4V之所以取得這樣的實績，原因是容易入手、容易使用及價格相對便宜等。

    2013年全球飛機用鈦的采購量為6.5萬t，占世界鈦加工材供給量的約40%，其中：含軍用機、直升機在內的機體用鈦量約4.3萬t（B787機體用約1.1萬t），發動機用約1.8萬t，其他約0.4萬t。

    在波音和空客，鈦合金的使用部位主要是高載荷的構架、門框、起落架、發動機支座等，即鈦合金集中使用在承受高負荷的部件上。另外波音公司也在考慮鈦的新用途，如B737MAX的內壁。盡管鈦的優良性能早已被飛機制造商認可，但出于成本的考慮，盡量提高鈦的利用率，降低投入量/凈質量之比，從而減少鈦的采購量。另外，波音公司還在嘗試采用廉價的合金等替代鈦，如采用新型Al-鋰（Li）合金用于翼梁、長桁、腹板等部位。

    2 .發動機

    表3為噴氣發動機用鈦的使用場所及時用的合金牌號。可以看出，飛機發動機使用鈦合金的主要部件是風扇機身、壓縮機機身、圓盤、渦輪、葉片、葉輪、緊固件等。發動機所采用的材料，除了吸進空氣的風扇以外，都要求具有良好的耐熱性。鈦合金的使用溫度在600℃以下，可以用作風扇葉片、外殼、盤件以及導向翼（structural guide vane）。普惠公司PW4084發動機的風扇為鈦合金，羅羅公司的Trent 800發動機風扇也為鈦合金。風扇葉片以及導向翼SGV還必須應對鳥撞擊，其措施是在葉片前端裝上一個鈦套。

    鈦材在各種飛機發動機上的使用量不是很明確，但為B737開發的PW4084發動機購進了9 t的鈦材，使用了1.7 t的鈦部件，材料利用率約為19%。這種巨型發動機的風扇葉片等部件都使用了大量鈦合金。2013年包括軍用機等在內的飛機發動機所需鈦材為1.8萬t，生產臺數約為3 000臺，因此每臺發動機平均用鈦量約為6 t。

    全球主要的發動機廠家有4家，分別為美國GE公司、美國P&W公司、法國Safran集團和英國羅羅公司，這4家公司2012年所占份額分別為28%、18%、20%和18%，其他公司為11%。預計2014年新生產發動機3 150臺，2015年為3 400臺，2016年為3 700臺[4]。噴氣發動機的需求量與以往相比變化不大，今后面向發動機開發的課題有：①環境友好的清潔發動機；②燃燒效率高，在更高的溫度下運行（需開發耐高溫材料）；③更輕量化，發展TiAl金屬間化合物、CMC （Ceramic Matrix Composite）陶瓷復合材料等；④低成本化，如延長保養點檢間隔期，減少部件點檢數量（幾個部件的焊接等一體化等）。如日本IHI公司正在與美國GE公司合作開發耐約1 400℃高溫的B777用GE9X發動機的部件，該部件采用陶瓷基復合材料。隨著發動機的高溫化進程，今后開發的發動機部件材料將以鈦鋁合金（TiAl）金屬間化合物、碳化硅（SiC）纖維、陶瓷復合材料CMC為中心。

    二、飛機產量預測及鈦材需求分析

    根據日本航空協會對飛機需求情況調查，從2014年開始的20年間全球新制造的民用機預計約為3.2萬架，不同席位飛機產量預計見表4。

    從表4可以看出，客機產量以100～229席座的大型飛機為多，預計未來20年間這類客機產量達到19 930架，占總需求量的62%。這一級別最具競爭力的機型為B737和A320，這兩種客機已成為大多數航空公司的主力機型。表4還給出了至2014年6月末未交付的客機數量，可以看出，未交付的A320系列和B737系列客機各有3 000架以上。C919是中國正在研制的一款大型客機，在2015年的第51屆巴黎航展上，平安國際融資租賃有限公司與中國商飛公司簽署50架C919大型客機購機意向協議。由此，平安租賃成為國產大飛機C919的第19家客戶，C919客機訂單數量已達到500架。雖然C919訂單數量不斷上升，但無論在技術、交付時間還是生產能力等方面都面臨不小壓力。

    超大型客機如A380等，就其產量而言不及大型客機，但它單架客機的用鈦量很大，因而鈦產業界是很歡迎這種飛機的。就小型客機（席位數≤99）而言，全球主要制造商為加拿大龐巴迪公司和巴西的Embraer航空公司[14-15]。目前日本正在開發MRJ三菱客機，席位數為90，僅限支線近域航行。中國和俄羅斯也在這一領域各自開發自己的產品，競爭相當激烈。這種飛機的鈦材使用量不大，估計為10 t左右。

    今后對鈦應用可期待的是民用機B787、B777、A350、A380等。對于B737、A320這類機型，每架飛機的鈦用量不太多，約為12～18 t，但生產數量多，使用鈦的總量還是可觀的。表5為2013-2016年4種主要客機產量?？梢钥闯觯?016年A380客機產量將達到82架，消耗鈦材量6 560t，相比2014年增加4 640t。

    三、結語

    世界鈦材消費主要集中在航空工業領域，占比約40%～50%。2011年，全球鈦材產量達到14.8萬t，其中商用航空用鈦材約6.4萬t。未來全球經濟增長對航空運輸的需求量依然巨大，預計未來20年新增飛機需求約在3萬架左右。但由于近年來航空業競爭的加劇，飛機機身和發動機廠家正在盡力減少價格較高的鈦材用量，并加強了殘鈦的再利用。另外，CFRP、CMC等復合材料也對鈦合金在飛機上的應用構成了極大挑戰。好在未來飛機產量不斷增加，鈦材在飛機上的用量仍會有所增加。全球飛機需鈦量按每年增長約4.6%計算，至2023年預計為約10萬t。

    在美國，飛機和相關領域用鈦，通常大約占美國鈦市場的55%。俄羅斯擁有世界最大的鈦加工材生產廠——VSMPO-AVISMA公司，其70%的鈦材用于航空領域。該公司擁有350多個國際生產許可證，可獨自進行質量管理和生產檢測，并且和48個國家的300余家公司建立了合作關系，可生產波音787、空客A380飛機上使用的全鈦起落架。我國已是鈦工業大國，2014年鈦材產量達到4.966萬t，占世界鈦材產量的1/3。但我國生產的鈦材主要用于化工等領域，飛機用鈦僅占約11%。我國于2007年立項的大飛機項目，計劃到2020年C919年產量達到150架，按照平均用鈦量50 t/架計算，屆時每年將新增鈦材需求量約1萬t。相信該項目的推進，將對我國鈦材在航空領域的應用產生較大的推動作用。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：劉洋

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事

投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414