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近日,据塔斯社报道,俄罗斯彼尔姆国立科研理工大学(PNRPU)的研究人员发现了一种提高用于制造飞机发动机的钛合金耐久性方法,这将对燃气涡轮发动机零部件开发和生产具有重大意义。


钛合金是以钛为基础加入适量其他元素而形成的合金,具有强度高、耐腐蚀、耐热性能好以及化学性能稳定等特点。较其他金属材料而言,钛合金具有一系列比较优势,能够有效降低航空机体重量,同时又兼具可靠性和经济性,可替代钢、铝合金等金属在飞机及发动机的制造材料使用,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。因此,钛合金也被誉为“太空金属”与“战略金属”,被广泛应用于航空、航天领域。此外,钛合金还被应用于舰船、兵器、生物医疗、化工冶金、海洋工程等领域,是国家重要战略金属材料之一。


近些年,随着国内外军民用飞机更新换代的加速,对飞机性能要求不断提高,而飞机性能的改进首先需要从材料入手,钛合金作为结构材料具有明显的优势,它不仅能使零件本身减重,而且支撑部件减重,因此具有广阔的市场空间和应用场景。


01


钛的概念与金属特征


钛,元素符号为 Ti,在元素周期表中排第22位。在人们的印象中,钛常用于航空航天等高端领域,是一种 “高级”的金属,但其实它早已深入到人们生活的方方面面:你可能每天都在用含有二氧化钛增白剂的牙膏刷牙,住在用添加了钛白 粉的涂料粉刷的卧室,用着钛合金做的眼镜框……


由于其良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱、高强度、低密度等特性,钛及钛合金是被公认的替代钢、不锈钢、铜及其合金、铅、镍、锌、石墨、岩石等材料的理想金属,其应用范围已经越来越宽广。因此,钛在金属材料王国中被称为“全能金属”,是继铁、铝之后极具发展前景的“第三金属”、“战略金属”及“空间金属”。


但因为钛很难分离,在自然界中找不到它的金属单质,其发现和应用也经历了很长的历程。虽然早在1791年,英国牧师W.Gregor在黑磁铁矿中发现了钛这一新的金属元素,但直到1795年,德国化学家M.H.Klaproth在研究金红石时发现了该元素,才得以正式确定其存在,并以希腊神Titans命名。


在经过了一个多世纪的艰难探索之后,1910年,美国科学家M.A.Hunter首次用钠还原TiCl4制取了纯钛。1940年卢森堡科学家W.J.Kroll用镁还原TiCl4制得了纯钛。从此,镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。美国在1948年用镁还原法制出2吨海绵钛,从此开始了钛的工业化生产。



金属特征:


钛金属材料比强度高(强度与密度之比)。钛合金材料虽然强度略低于传统材料合金钢,但其具有密度低的优势,使其比强度高。在追求材料轻质高强的航空航天领域具有非常广泛的应用。


钛金属材料具有优异的耐腐蚀性能。腐蚀是工业设备失效的主要原因。钛元素虽然较为活泼,但是钛合金材料在工作环境下可以在表面形成一层致密的氧化膜,该氧化膜阻断了金属与腐蚀介质的接触,使金属不易被腐蚀,即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。


钛金属材料无磁无毒,且具有非常好的生物相容性。钛元素本身是人体的组成元素,且与人体组织及血液有相溶性好,对人体基本无伤害,被医疗领域广为应用。


使用温度范围广。新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用,钛合金TA7和TC4为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196至-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。


钛金属材料性能仍有提升空间。钛合金是材料研究的热门领域,并且性能提高迅速,现在应用量最大的TC4钛合金抗拉强度约为900MPa,而由西北有色金属研究院研究的新型钛合金TC21抗拉强度已达1200MPa左右。


02


储量情况


钛在地球上的储量十分丰富,地壳丰度0.61%,其含量比常见的铜、镍、锡、铅、锌都要高,已知的矿物约有140多种,但现具有开采价值的仅十余种。已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类。


钛矿端,根据美国地质调查局数据显示,全球钛矿储量呈现先增长后降低趋势。2012年全球钛矿储量达6.5亿吨,此后被发现的钛储量不断增长,直至2018年达到顶峰8.8亿吨,随着2019年钛产量大幅增长,全球钛储量首次出现下降,2020年降至7亿吨。


全球有三十多个国家拥有钛资源。但是钛主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国和印度等国。各区钛矿资源类型不同,加拿大、中国和印度主要是岩矿;澳大利亚、美国主要是砂矿;南非的岩矿和砂矿都十分丰富。其中,中国拥有的钛铁矿储量最高,达到2.3亿吨,约占全球总储量的32.86%;其次为澳大利亚地区,储量达1.5亿吨,占全球总储量的21.43%。



就产量而言,2019开始,全球钛铁矿产量出现了明显的增长,主要是中国地区产量的大幅增长导致的,原因为全球制造业向中国靠拢,中国钛应用市场迅速发展。同时,中美贸易摩擦的结束也推动了钛铁矿产量的增长。



03


我国钛产业发展概述


(1)产能


到 2020 年底,我国海绵钛的产能比 2019 年增长了 12.0%,达到 17.7 万吨,这主要是由于国内大型海绵钛生产企业看好后市需求增长,不断兼并、重组和扩产。我国产量最大的前三家海绵钛生产企业,2020 年的产能均有不同程度的扩张,尤其是洛阳双瑞万基钛业有限公司,其产能新增 1 万吨。2020 年我国海绵钛行业的整体开工率达到 70%。表 4-1 所示为我 国 2015—2020 年海绵钛产能的变化情况,可以看出,2018 年海绵钛产能首次突破 10 万吨;2018 年后,海绵钛产能有了明显的增加,2019 年比 2018 年增长了 47.7% ;2020 年比 2018 年增长了 65.4%,比 2015 年增长了101.1%。这说明我国对海绵钛的需求大幅增加。



2020 年我国钛锭的产能比 2019 年增长了 11.8%,达到 19.9 万吨,这主要是由于新疆湘晟和云南钛业两家企业新上钛熔炼设备所形成的产能。表 4-2 所示为近六年我国钛锭产能的变化。可以看出,钛锭的产能稳步增长,2020 年即将突破 20 万吨。2020 年产能比 2015 年增长了 47.4%,说明我国钛加工材料对钛锭的需求明显增加。


(2)产业结构


近 6 年来,各类钛加工材所占的比例及产量的变化如表 4-7 所示。可以看出,钛板材占比为 50% 以上,2020 年钛板材的产量比 2019 年增加了 47.5%,占到当年钛材总产量的 59.4%,其中钛带卷的产量占到了一半以上。板材产量 2015 年为 22746t,2020 年达到 57609t,2020 年比 2015 年增长了 153.3%。棒材的产量 2020 年比 2019 年增长了 16.9%,约占全年钛材产量的 16.0% ;2020 年管材的产量比 2019 年减少了 6.5%,占全年钛材产量的 9.8% ;2020 年管材产量比 2015 年增长了 48.3%。锻件的产量 2020 年比 2019 年增长了 7.3%, 占全年钛材产量的 5.8%,比 2015 年增长了 33.2%。钛丝的产量 2020 年比 2019 年增长了 55.0%,比 2015 年增长了 169.8%。其他钛产品 2020 年产量比 2019 年增长了 11.2%,比 2015年增长了 182.9%。从表 4-7 还可以看出,板材、棒材、管材 3 个品种的产量占加工材材料的 85% 以上,也就是说生产的半成品居多。



在产业分布方面,海绵钛生产主要分布在辽宁地区,2020 年 5 家企业的产量占到全国的三分之一以上(34.6%),同比有所下降;钛及钛合金锭生产主要集中在陕西,2020 年 14 家 主要生产企业的产量占中国产量的四成以上(46.5%),同比有所增长;钛及钛合金棒材生 产也主要集中在陕西,2020 年产量在 500t 以上的主要 7 家生产企业的产量占总量的 74.6% ;陕西 4 家主要钛板材生产企业 2020 年产量占到全国的 22.7%,同比有所减少;钛管的生产主要集中在长三角地区,主要 4 家生产企业 2020 年产量占全年总量的 34.4%,同比有所增长。


(3)市场


销售量:2020 年,我国海绵钛的总销售量为 122958t,净出口为负 4175t,国内销售量为 127133t,同比大幅增长了 39.7%。2020 年,我国钛材的总销售量 93596t,净出口量为 9107t, 国内销售量为 84489t,同比增长了 50.7%。


需求分配:近 6 年我国钛及钛合金在不同领域的应用量及所占比例如表 4-8 所示。我国钛合金材料仍然是以民用为主。2020 年与 2015 年相比,航空航天用钛由 6862t 增加到 17228t,增加了 10396t,增长了 151.5% ;化工用钛由 19486t 增加到 47513t,增加了 28027t, 增长了 143.8% ;船舶和海洋工程用钛由 1820t 增加到 9983t,增长了 548.5%。冶金、电 力、制盐领域钛量逐步降低,如冶金行业由 2015 年的 2168t 降到 2020 年的 1324t、电力行业由 2015 年的 5537t 降到 2020 年的 4638t、制盐行业由 2015 年的 1715t 降到 2020 年的 1231t。这一发展趋势表明,海洋工程和船舶用钛将大幅增长,航空航天和化工用钛将稳步增长。


来源:蒙格斯报告, 今日新材料,鑫蓝海

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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