隨著航空工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)更新?lián)Q代的加速，飛機(jī)性能不斷提高。而新型高效飛機(jī)首先要求其材料具有質(zhì)輕、強(qiáng)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(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)零件在受力、高溫、腐蝕和其他作用條件下有較強(qiáng)的工作能力，又要使飛機(jī)達(dá)到高的技術(shù)品質(zhì)[1]。鈦及鈦合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高（優(yōu)于鋁合金和鋼）、耐熱、抗沖擊、耐腐蝕等優(yōu)異性能，而且與飛機(jī)大量使用的復(fù)合材料有很好的電化學(xué)相容性，因此鈦合金為飛機(jī)設(shè)計(jì)者所青睞，在飛機(jī)上的用量不斷增加[2]。本文主要分析了鈦材應(yīng)用于哪些飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)上，今后全世界會(huì)大量生產(chǎn)何種飛機(jī)，由此對(duì)鈦材用量的增加會(huì)帶來怎樣的期待。

一、鈦材在飛機(jī)上的應(yīng)用部位

1.機(jī)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(jī)所使用的材料（見圖1）[3-4]可以看出，過去飛機(jī)機(jī)體中鈦合金的用量不多，如20年前B777機(jī)體質(zhì)量的7%為鈦合金，而鋁合金占到了70%。而現(xiàn)在，鈦合金和以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）為主的復(fù)合材料的用量不斷增加。如B787客機(jī)大大減少了鋁合金的用量，主要原因是鋁合金有以下2個(gè)缺點(diǎn)：①CFRP與鋁合金直接接觸，可能使鋁合金發(fā)生電偶腐蝕；②鋁合金與CFRP的熱膨脹系數(shù)相差太大[5]。鈦的使用可消除上述問題，因此B787客機(jī)成倍增加了鈦的用量，提高到占機(jī)體質(zhì)量的約15%。表1為波音公司和空客公司主要機(jī)型鈦材用量[4，6]。

表2列出了到目前為止鈦及鈦合金在飛機(jī)上的使用狀況[7]。Ti-6Al-4V合金不僅適合用作飛機(jī)很多種的機(jī)械部件，也適合用于起落架那樣的特殊裝置部件。因此飛機(jī)機(jī)體所使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V合金的用量最大，占機(jī)體結(jié)構(gòu)件用鈦合金的80%～90%[8]。Ti-6Al-4V之所以取得這樣的實(shí)績(jī)，原因是容易入手、容易使用及價(jià)格相對(duì)便宜等。

2013年全球飛機(jī)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(jī)、直升機(jī)在內(nèi)的機(jī)體用鈦量約4.3萬t（B787機(jī)體用約1.1萬t），發(fā)動(dòng)機(jī)用約1.8萬t，其他約0.4萬t[4]。

在波音和空客，鈦合金的使用部位主要是高載荷的構(gòu)架、門框、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)支座等，即鈦合金集中使用在承受高負(fù)荷的部件上。另外波音公司也在考慮鈦的新用途，如B737MAX的內(nèi)壁。盡管鈦的優(yōu)良性能早已被飛機(jī)制造商認(rèn)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(zhì)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(jià)的合金等替代鈦，如采用新型Al-鋰（Li）合金用于翼梁、長(zhǎng)桁、腹板等部位[9，10]。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)

表3為噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦的使用場(chǎng)所及時(shí)用的合金牌號(hào)[7]?？梢钥闯?，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用鈦合金的主要部件是風(fēng)扇機(jī)身、壓縮機(jī)機(jī)身、圓盤、渦輪、葉片、葉輪、緊固件等。發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的材料，除了吸進(jìn)空氣的風(fēng)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(fēng)扇葉片、外殼、盤件以及導(dǎo)向翼（structural guide vane）。普惠公司PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇為鈦合金，羅羅公司的Trent 800發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇也為鈦合金。風(fēng)扇葉片以及導(dǎo)向翼SGV還必須應(yīng)對(duì)鳥撞擊，其措施是在葉片前端裝上一個(gè)鈦套。

鈦材在各種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用量不是很明確，但為B737開發(fā)的PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)購進(jìn)了9t的鈦材，使用了1.7t的鈦部件，材料利用率約為19%。這種巨型發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片等部件都使用了大量鈦合金。2013年包括軍用機(jī)等在內(nèi)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所需鈦材為1.8萬t，生產(chǎn)臺(tái)數(shù)約為3 000臺(tái)，因此每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)平均用鈦量約為6t[11]。

全球主要的發(fā)動(dòng)機(jī)廠家有4家，分別為美國GE公司、美國PW公司、法國Safran集團(tuán)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(yù)計(jì)2014年新生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)3 150臺(tái)，2015年為3 400臺(tái)，2016年為3 700臺(tái)[4]。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量與以往相比變化不大，今后面向發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的課題有：①環(huán)境友好的清潔發(fā)動(dòng)機(jī)；②燃燒效率高，在更高的溫度下運(yùn)行（需開發(fā)耐高溫材料）；③更輕量化，發(fā)展TiAl金屬間化合物、CMC（Ceramic Matrix Composite）陶瓷復(fù)合材料等；④低成本化，如延長(zhǎng)保養(yǎng)點(diǎn)檢間隔期，減少部件點(diǎn)檢數(shù)量（幾個(gè)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(fā)耐約1 400℃高溫的B777用GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，該部件采用陶瓷基復(fù)合材料。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫化進(jìn)程，今后開發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)合材料CMC為中心。

二、飛機(jī)產(chǎn)量預(yù)測(cè)及鈦材需求分析

根據(jù)日本航空協(xié)會(huì)對(duì)飛機(jī)需求情況調(diào)查[12]，從2014年開始的20年間全球新制造的民用機(jī)預(yù)計(jì)約為3.2萬架，不同席位飛機(jī)產(chǎn)量預(yù)計(jì)見表4。

從表4可以看出，客機(jī)產(chǎn)量以100～229席座的大型飛機(jī)為多，預(yù)計(jì)未來20年間這類客機(jī)產(chǎn)量達(dá)到19 930架，占總需求量的62%。這一級(jí)別最具競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)型為B737和A320，這2種客機(jī)已成為大多數(shù)航空公司的主力機(jī)型。表4還給出了至2014年6月末未交付的客機(jī)數(shù)量，可以看出，未交付的A320系列和B737系列客機(jī)各有3 000架以上。C919是中國正在研制的一款大型客機(jī)，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(jī)購機(jī)意向協(xié)議[13]。由此，平安租賃成為國產(chǎn)大飛機(jī)C919的第19家客戶，C919客機(jī)訂單數(shù)量已達(dá)到500架。雖然C919訂單數(shù)量不斷上升，但無論在技術(shù)、交付時(shí)間還是生產(chǎn)能力等方面都面臨不小壓力。

超大型客機(jī)如A380等，就其產(chǎn)量而言不及大型客機(jī)，但它單架客機(jī)的用鈦量很大，因而鈦產(chǎn)業(yè)界是很歡迎這種飛機(jī)的。就小型客機(jī)（席位數(shù)≤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(fā)MRJ三菱客機(jī)，席位數(shù)為90，僅限支線近域航行。中國和俄羅斯也在這一領(lǐng)域各自開發(fā)自己的產(chǎn)品，競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激烈。這種飛機(jī)的鈦材使用量不大，估計(jì)為10t左右。

今后對(duì)鈦應(yīng)用可期待的是民用機(jī)B787、B777、A350、A380等。對(duì)于B737、A320這類機(jī)型，每架飛機(jī)的鈦用量不太多，約為12～18t，但生產(chǎn)數(shù)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(jī)產(chǎn)量[4]?？梢钥闯觯?016年A380客機(jī)產(chǎn)量將達(dá)到82架，消耗鈦材量6 560t，相比2014年增加4 640t。

三、結(jié)語

世界鈦材消費(fèi)主要集中在航空工業(yè)領(lǐng)域，占比約40%～50%。2011年，全球鈦材產(chǎn)量達(dá)到14.8萬t，其中商用航空用鈦材約6.4萬t。未來全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)航空運(yùn)輸?shù)男枨罅恳廊痪薮?，預(yù)計(jì)未來20年新增飛機(jī)需求約在3萬架左右。但由于近年來航空業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動(dòng)機(jī)廠家正在盡力減少價(jià)格較高的鈦材用量，并加強(qiáng)了殘鈦的再利用。另外，CFRP、CMC等復(fù)合材料也對(duì)鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用構(gòu)成了極大挑戰(zhàn)。好在未來飛機(jī)產(chǎn)量不斷增加，鈦材在飛機(jī)上的用量仍會(huì)有所增加。全球飛機(jī)需鈦量按每年增長(zhǎng)約4.6%計(jì)算，至2023年預(yù)計(jì)為約10萬t。

在美國，飛機(jī)和相關(guān)領(lǐng)域用鈦，通常大約占美國鈦市場(chǎng)的55%。俄羅斯擁有世界最大的鈦加工材生產(chǎn)廠—— VSMPO-AVISMA公司，其70%的鈦材用于航空領(lǐng)域。該公司擁有350多個(gè)國際生產(chǎn)許可證，可獨(dú)自進(jìn)行質(zhì)量管理和生產(chǎn)檢測(cè)，并且和48個(gè)國家的300余家公司建立了合作關(guān)系，可生產(chǎn)波音787、空客A380飛機(jī)上使用的全鈦起落架[16]。我國已是鈦工業(yè)大國，2014年鈦材產(chǎn)量達(dá)到4.966萬t，占世界鈦材產(chǎn)量的1/3。但我國生產(chǎn)的鈦材主要用于化工等領(lǐng)域，飛機(jī)用鈦僅占約11%。我國于2007年立項(xiàng)的大飛機(jī)項(xiàng)目，計(jì)劃到2020年C919年產(chǎn)量達(dá)到150架，按照平均用鈦量50t/架計(jì)算，屆時(shí)每年將新增鈦材需求量約1萬t。相信該項(xiàng)目的推進(jìn)，將對(duì)我國鈦材在航空領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用。

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