鈦合金工業現狀與發展

鈦合金工業現狀與發展

一、鈦工業的發展
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、高低性能優異,因此首先被廣泛應用于航空、航天等行業,成為軍事工業不可或缺的結構材料。除此之外,鈦及其合金在很多化學介質中優異的耐腐蝕性能及其它綜合性能,又被石油、化工、醫藥、體育等民用行業廣泛接受,逐步取代各種金屬材料,在短時間內躍居金屬材料使用的第三位。
鈦元素發現于1789年,1908年挪威和美國開始用硫酸法生產鈦白,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)才用鎂法成噸生產海綿鈦,這標志著海綿鈦即鈦工業化生產的開始。
反應過程如下: TiO2+Cl2 → TiCl4
TiCl4+Mg → Ti
可見鈦材生產過程中涉及劇毒化學介質氯氣(二戰中的化學武器哦)和貴金屬鎂,而且反應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,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。
我國鈦資源豐富,礦產比較集中,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,其中攀枝花地區的蘊藏量占世界總儲量的35%。然而,同世界主要鈦礦產地相比,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,很久也沒有發現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年國家把鈦當作戰略金屬列入了12年發展規劃,1958年在撫順鋁廠實現了海綿鈦工業試驗,成立了中國第一個海綿鈦生產車間,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試驗車間。
1980年前后,我國海綿鈦產量達到2800噸,然而由于當時大多數人對鈦金屬認識不足,鈦材的高價格也限制了鈦的應用,鈦加工材的產量僅200噸左右,我國鈦業陷入困境。
截止到2003年底,我國海綿鈦的年產能力為4000噸,其中遵義鈦廠3000噸(擴建項目2005年基本上完工,年產可超過5000噸),撫順鈦廠1000噸。由于近年來我國持續發展的國民經濟對鈦材的需求旺盛,上述兩廠均能滿負荷生產,2003年的總產量也是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年我國生產海綿鈦3328噸,實際銷售3079噸;2003年我國生產海綿鈦4112噸,銷售4128噸??墒怯捎趪H大化工、航空航天業的規模發展,已經讓國際鈦材走向供不應求的局面,導致從2002年來我國鈦材瘋狂上漲的局面。
鈦加工材的產能決定于鈦錠的生產能力,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的鈦錠生產能力。以70%可轉化成鈦材計,基本具有了14000t/a的生產能力。
據初步統計,2003年我國實際生產鈦材約6000噸,占世界總產量的10%左右??梢娭袊拟伡庸すI還不是很發達,需要時間和投入。
目前,我國鈦加工及其制造業在地理上體現了三分天下的格局:以寶雞為中心的西北地區。這個地區以寶雞有色金屬加工廠及其控股的寶雞鈦業有限公司為龍頭,形成了我國專業化程度最高、加工設備最系統化、產品規格最多的鈦加工及其制造業基地。西北地區的鈦材主要供給給國家的軍事生產部門,民用的設備生產部門,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、沈陽東方鈦業有限公司等單位為主形成了東北鈦加工及設備制造集團,該地區中小企業多,鈦設備制造頗為活躍,由于東北是我國的老重型工業基地,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備制造集團。長三角地區的有色金屬的設備的加工能力已經可以體現我國在這個方面的實力,每年在有色方面的設備大量出口,質量可靠,已經有部分質量,管理比較成功的企業走進了軍工制造的大門。雖說沒有大規模的軍品生產,但也能充分說明我們的制造能力和鈦材在軍事上的應用的前景。
在2005年前后,我國海綿鈦和鈦加工材的單廠產能達到年產5000噸的基本經濟規模,加上振興東北計劃中的5000噸/年海綿鈦項目,基本上能實現我國幾代鈦業工作者的宿愿,上一個大臺階,必將使我國成為鈦工業的強國。
世界上能完成鈦礦山—冶金—加工—鈦設備制造及科研—設計—應用兩個完整體系的國家只有四個:美國,蘇聯/俄羅斯,日本,中國。這也是現代冶金工業的典范。鈦生產大國都是發達國家和前蘇聯的國家(除中國外),鈦生產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的金屬,鈦材料正成為一些國家謀求世界航空主導權的工具,想必大家都知道了近期俄羅斯總統普下令合并俄羅斯數大飛機制造商,成立聯合航空制造集團的事情,這只是老毛子謀求航空主導權的第一步,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略意義的稀有金屬領域,企圖為俄羅斯的崛起創造人為的條件!
由于阿維斯瑪公司全球飛機制造業的最大材料供應商(供應波音35%的鈦材和空客50%的鈦材),除每年要供應波音25~45萬噸產品(含鎂合金),還要增加深加工產品的份額,同時俄羅斯還和波音和空客都有合作項目(新型飛機研發制造公司),不難看出俄羅斯想把材料的優勢變成技術轉讓的籌碼的野心,此其一,二則是俄羅斯總統已經下令設計制造新型飛機,欲與波音/空客試比高!并已經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、鈦在國防工業上的應用
(1).我國國防工業使用鈦的情況
無論是美國還是俄羅斯,其鈦材主要應用于飛機制造業和造船業。近年來,我國這兩個領域發展很快,不斷有新型飛機量產,在研的項目也很多,估計這兩個領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,前段時間還有網友在鐵血網站上貼出了我國新型的鈦合金發動機罩和強5戰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,我們的鈦合金的應用也能讓航空航天工業飛躍。在航天領域,中國第一臺大型全鈦紫外太空望遠鏡也已經制造并實驗完畢,鈦合金在太空領域的應用前途光明。
每種鈦合金都有各自的用途。飛機制造和航天工業運用鈦合金大家已經十分了解,在社會生活及在機械業中的使用更是多多,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的應用情況。
1.發動機業:
鈦5Al2.5Sn高強鈦合金—齒輪套、發動機外殼、葉片罩
鈦8Al1Mo1V高鈦合金—發動機葉片、陀螺儀導向罩、內蒙皮
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:
鈦6Al2Sn強化鈦合金—緊固件、導向裝置、重要結構
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和殲十都應用了鈦合金材料
3.航天業
鈦合金1M1315—火箭機盤、導彈基座構件
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
我國已經研制成功了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部件
5.海軍業
LT41鈦合金—艦船大面積蒙皮
3.7114鈦合金—可焊性優良,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、韌性有關系,還有就是耐腐蝕性,海水中的鈦是極其穩定的,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,由于電位差容易在海水中產生電偶,加快腐蝕,這種事情在052上曾經試驗過,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)其他國家國防工業使用鈦的情況
世界上已經退役的,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構件,隨著現代化戰爭模式的轉變,要求現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,比如現在各國都希望自己的炮兵能快速有效的迅速轉移到另外一個地方,達到戰略或者戰術上的目的,這必然使鈦合金在火炮領域的發展前途一片光明,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域則更是如此,下面就簡單的介紹鈦合金成功應用的典型事例:
①飛機用鈦數據(未注明均指毛坯用量)
國際鈦協會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據:
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戰斗機,結構用鈦5.75t,2臺噴氣發動機用鈦5t;
4. F22戰斗機(正在開發中),結構用鈦36t,2臺發動機用鈦5t;
5. 聯合開發的F 戰斗機,結構用鈦10t,單臺發動機用鈦5t;
6. F18艦載戰斗機,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域的重要地位,尤其是在發動機制造,機體制造方面更是如此。
上文提到俄羅斯有意加強對戰略稀有金屬鈦進行控制,已經引起了美國的注意,畢竟美國下一代戰機的用鈦比例很大,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商或者可以合資建廠,把中國生產的鈦材用在美國的項目上,在價格上很有優勢,而且質量可靠,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如此突出的影響國防工業,很少見,這也是自二戰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情況。
現今全球經濟已經逐步走出低谷,國際航空業開始出現恢復性增長,國際鈦材行業也隨著這個大潮迎來快速增長的新時期,中國企業也將迎來新的機遇。(悲還是喜???)
近幾年是第四代戰斗機的換代的起始,隨后的很多年里面,每年將有很多新型戰斗機進入軍隊。新型戰斗機在選材上很有講究和前瞻性,在未來很多年內,軍事和航空工業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斗機機?!胞R鶿”是由著名的洛-馬公司臭鼬工廠提出概念設計的,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略導彈發射筒發射,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的發生,機體的內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,作戰半徑達926千米,可持續飛行3個小時。鈦的優良品質被體現的淋漓盡致??!
鈦及其合金的性能無庸質疑,各種鈦合金的冶金過程對大國來說也是很常規的東西,只是考慮成本的問題。隨著經濟的發展,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域都將迎來快速的發展。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!

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