[原创]世界钛工业现状及钛在国防工业上的应用

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导读:[原创]世界钛工业现状及钛在国防工业上的应用

一、钛工业的发展

钛及其合金由于密度小(4.51g/cm3)、强度高(有的达到1000MPa)、比强度大、高低温性能优异,因此首先被广泛应用于航空、航天等行业,成为军事工业不可或缺的结构材料。除此之外,钛及其合金在很多化学介质中优异的耐腐蚀性能及其它综合性能,又被石油、化工、医药、体育等民用行业广泛接受,逐步取代各种金属材料,在短时间内跃居金属材料使用的第三位。

钛元素发现于1789年,1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白,1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛,1948年美国杜邦公司(DUPONT)才用镁法成吨生产海绵钛,这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。

反应过程如下: TiO2+Cl2 → TiCl4

TiCl4+Mg → Ti

可见钛材生产过程中涉及剧毒化学介质氯气(二战中的化学武器哦)和贵金属镁,而且反应过程需要大量的能量,这就是钛材昂贵的原因。这个过程冶炼出来的钛材还不能用于生产,因为它还是多孔疏松状的,形似海绵,称为海绵钛,海绵钛将被置于真空自耗电弧炉中冶炼出钛锭,用于板材、棒、管子及其他形式钛材的生产。

我国钛资源丰富,矿产比较集中,换算成TiO2总储量达90亿多吨,为世界第一。钛矿主要分布在四川、云南、广东、广西和海南等省区,其中攀枝花地区的蕴藏量占世界总储量的35%。然而,同世界主要钛矿产地相比,我国的天然金红石(TiO2)资源少,易开采利用的砂矿少。钛矿多为钛钒铁共生岩矿,选冶起始成本高。说到这里还有必要提及一个故事,当初攀枝花钢铁集团冶炼钢材后的矿渣堆放在攀钢集团的一角,很久也没有发现这种矿渣里面竟然含有贵金属钛。后来日本人对攀钢考察的时候提出要购买我们的矿渣,这才让我们的国家注意上了攀钢矿渣的具体真面目,当然回绝了日本。

中国钛工业起步于20世纪50年代,1954年北京有色金属研究总院开始进行海绵钛制备工艺研究,1956年国家把钛当作战略金属列入了12年发展规划,1958年在抚顺铝厂实现了海绵钛工业试验,成立了中国第一个海绵钛生产车间,同时在沈阳有色金属加工厂成立了中国第一个钛加工材生产试验车间。

1980年前后,我国海绵钛产量达到2800吨,然而由于当时大多数人对钛金属认识不足,钛材的高价格也限制了钛的应用,钛加工材的产量仅200吨左右,我国钛为业陷入困境。

截止到2003年底,我国海绵钛的年产能力为4000吨,其中遵义钛厂3000吨(扩建项目2005年基本上完工,年产可超过5000吨),抚顺钛厂1000吨。由于近年来我国持续发展的国民经济对钛材的需求旺盛,上述两厂均能满负荷生产,2003年的总产量也是4000余吨,2004年达到4809吨。

2002年,我国进口海绵钛2147吨,出口11吨,净进口2136吨;2003年1-11月份,我国进口海绵钛2609.9吨,出口72.7吨,净进口2534.2吨。

2002年我国生产海绵钛3328吨,实际销售3079吨;2003年我国生产海绵钛4112吨,销售4128吨。可是由于国际大化工、航空航天业的规模发展,已经让国际钛材走向供不应求的局面,导致从2002年来我国钛材疯狂上涨的局面。

2002年我国主要钛加工材企业的钛材生产量在不同领域的销售分配见下表:

我国主要钛加工材企业的钛材生产量在不同领域的销售分配(%)


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钛加工材的产能决定于钛锭的生产能力,也就是国家拥有真空自耗电弧炉的总体吨位。我国基本具有了20000t/a的钛锭生产能力。以70%可转化成钛材计,基本具有了14000t/a的生产能力。

据初步统计,2003年我国实际生产钛材约6000吨,占世界总产量的10%左右。可见中国的钛加工工业还不是很发达,需要时间和投入。

目前,我国钛加工及其制造业在地理上体现了三分天下的格局:

以宝鸡为中心的西北地区。这个地区以宝鸡有色金属加工厂及其控股的宝鸡钛业有限公司为龙头,形成了我国专业化程度最高、加工设备最系统化、产品规格最多的钛加工及其制造业基地。西北地区的钛材主要供给给国家的军事生产部门,民用的设备生产部门,部分出口到波音,麦道,罗-罗等著名公司。

以沈阳有色金属加工厂、抚顺特钢板材有限责任公司、沈阳东方钛业有限公司等单位为主形成了东北钛加工及设备制造集团,该地区中小企业多,钛设备制造颇为活跃,由于东北是我国的老重型工业基地,人才是不缺的,缺的就是强化的管理和综合组织能力,尤其是在地方优惠政策的扶持下也将形成一定的气候。

以宝钢集团上海五钢有限公司、南京宝钛中惠集团有限公司、张家港市宏大钢管厂等单位为主形成了长江三角洲钛加工及其设备制造集团。长三角地区的有色金属的设备的加工能力已经可以体现我国在这个方面的实力,每年在有色方面的设备大量出口,质量可靠,已经有部分质量,管理比较成功的企业走进了军工制造的大门。虽说没有大规模的军品生产,但也能充分说明我们的制造能力和钛材在军事上的应用的前景。

在2005年前后,我国海绵钛和钛加工材的单厂产能达到年产5000吨的基本经济规模,加上振兴东北计划中的5000吨/年海绵钛项目,基本上能实现我国几代钛业工作者的宿愿,上一个大台阶,必将使我国成为钛工业的强国。

世界上能完成钛矿山—冶金—加工—钛设备制造及科研—设计—应用两个完整体系的国家只有四个:美国,苏联/俄罗斯,日本,中国。这也是现代冶金工业的典范。下表就可以体现出近来世界上一些主要钛材料生产商的情况。


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由上表可见钛生产大国都是发达国家和前苏联的国家(除中国外),钛生产工艺的特殊性让资金不雄厚的国家进退两难。作为主导世界航空工业的金属,钛材料正成为一些国家谋求世界航空主导权的工具,想必大家都知道了近期俄罗斯总统普京下令合并俄罗斯数大飞机制造商,成立联合航空制造集团的事情,这只是老毛子谋求航空主导权的第一步,紧接着俄罗斯媒体透露,俄罗斯国防出口公司正在与钛合金巨头阿维斯玛公司进行股权收购谈判,这表明俄罗斯在当今的国际形式下不仅大打能源排,利用“安大线”和“安纳线”把中国和小日本拴在一起玩弄,而且把爪子伸向了具有战略意义的稀有金属领域,企图为俄罗斯的崛起创造人为的条件!

由于阿维斯玛公司全球飞机制造业的最大材料供应商(供应波音35%的钛材和空客50%的钛材),除每年要供应波音25~45万吨产品(含镁合金),还要增加深加工产品的份额,同时俄罗斯还和波音和空客都有合作项目(新型飞机研发制造公司),不难看出俄罗斯想把材料的优势变成技术转让的筹码的野心,此其一,二则是俄罗斯总统已经下令设计制造新型飞机,欲与波音/空客试比高!并已经给苏霍伊公司下了贷款担保,确保后者的RRJ型支线飞机的研制计划顺利进行,本人觉得对一个支线飞机如此兴师动众,十有八九不是针对中国的ARJ21来的,就是俄罗斯大战前的练兵行为,可见老毛子的崛起之心是很强烈的。

二、钛在国防工业上的应用

(1).我国国防工业使用钛的情况

无论是美国还是俄罗斯,其钛材主要应用于飞机制造业和造船业。近年来,我国这两个领域发展很快,不断有新型飞机量产,在研的项目也很多,估计这两个领域的用钛量将会大幅增加,而且也有报道说明我们的F10上也使用了较多的钛合金,前段时间还有网友在铁血网站上贴出了我国新型的钛合金发动机罩和强5战机的机翼钛合金连接件的图片。可见我国在钛合金使用上面早已成熟,假以时日,我们的钛合金的应用也能让航空航天工业飞跃。在航天领域,中国第一台大型全钛紫外太空望远镜也已经制造并实验完毕,钛合金在太空领域的应用前途光明(见下图)。

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每种钛合金都有各自的用途。飞机制造和航天工业运用钛合金大家已经十分了解,在社会生活及在机械业中的使用更是多多,象眼镜架啊,高尔夫球杆啊,超级运动自行车啊,等等。但在陆军和海军中的使用我们却是知之甚少,而且相关的文章和说明也不是很多,下面就列举一些我国高性能钛合金在国防工业的应用情况。

1.发动机业:

钛5Al2.5Sn高强钛合金—齿轮套、发动机外壳、叶片罩

钛8Al1Mo1V高温钛合金—发动机叶片、陀螺仪导向罩、内蒙皮

钛6Al4V(抗拉强度≥895MPa)热处理强化钛合金—核心机叶片及叶轮

2.航空业:

钛6Al2Sn强化钛合金—紧固件、导向装置、重要结构

钛4AlMo1V钛合金—飞机骨架

钛Sn5Zr1Mo钛合金—起落架、飞机承重架、紧固件

3.航天业

钛合金1M1315—火箭机盘、导弹基座构件

钛合金1M1550—导弹动力叶片套

钛合金T-A6V—飞船主用材料

4.陆军业

我国已经研制成功了83-1型和83-2型两种迫击炮。83-1型82迫击炮广泛采用了钛合金,把全炮重量降低到18.1公斤,极其方便班、排这样的小单位的袭扰战的开展。

钛A7D—新型装甲车辆力学分析锻件

钛A6Z5W—反坦克火箭(导弹),地空导弹罩等抗蠕变性要求高的部件

钛1M1551—某装甲车辆火力高速旋转部件

5.海军业

LT41钛合金—舰船大面积蒙皮

3.7114钛合金—可焊性优良,成型性好适合各种水密隔层

钛V13CA钛合金—蜂窝状舰身,承重框架


钛合金在舰船上使用是很有前途的。这跟钛合金的强度、韧性有关系,还有就是耐腐蚀性,海水中的钛是极其稳定的,基本上可以认为船体是不会腐蚀的,这样既可以减少维护的费用,也可以减轻船体的重量,对舰艇来讲是莫大的好处啊。除此之外,还有必要提及两点:第一个钛是无磁性的,对抗磁性探测有很大的帮助,至于什么磁性水雷啊,不值担心。二是跟先进的舰船复合材料涂层有天生的融合性,未来将使用的隐身复合材料有个缺点,就是跟以前舰船使用的高强特种钢起反应,由于电位差容易在海水中产生电偶,加快腐蚀,这种事情在052上曾经试验过,不用多久就会锈蚀斑斑,但这些涂料跟钛合金能完美整合。

(2)其他国家国防工业使用钛的情况

世界上已经退役的,正在服役的或者在研武器装备中,很多都使用了钛及其合金的结构件,随着现代化战争模式的转变,要求现代化的军队的快速机动能力十分突出,所以对于陆军来说必须依仗运输机的能力来达到快速的机动,这就要求陆军本来粗重的装备尽量的轻型化,比如现在各国都希望自己的炮兵能快速有效的迅速转移到另外一个地方,达到战略或者战术上的目的,这必然使钛合金在火炮领域的发展前途一片光明,象美国的M777轻型榴弹炮,由于使用了钛合金外壳,战斗全重下降到了3.175吨,可以使用V22或者C130空运,达到快速机动的能力。类似的还有英国的UFH超轻型155毫米火炮,不到4吨的重量里面使用了1吨的钛合金。在空军和海军装备的领域则更是如此,下面就简单的介绍钛合金成功应用的典型事例:

①飞机用钛数据(未注明均指毛坯用量)

国际钛协会2002年10月在美国奥兰多举办的年会上公布了下列飞机用钛新数据:

1. 计划于2004年问世的第一架超大型客机—空客A380,用钛量为45t/架-65t/架;(见下图)

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2. 波音客机,用钛量占其总重的15%-17%(净重);


3. F15战斗机,结构用钛5.75t,2台喷气发动机用钛5t;(见下图)

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4. F22战斗机(正在开发中),结构用钛36t,2台发动机用钛5t;(见下图)

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5. 联合开发的F35战斗机,结构用钛10t,单台发动机用钛5t;(见下图)

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6. F18舰载战斗机,用钛量占其总重的12%-13%(净重);(见下图)

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7. C-17大型运输机,用钛量占其总重的10%(净重);(见下图)

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8. 欧洲EF2000,将减少用钛量,改为复合材料。(见下图)

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由此可见钛在世界航空航天领域的重要地位,尤其是在发动机制造,机体制造方面更是如此。

上文提到俄罗斯有意加强对战略稀有金属钛进行控制,已经引起了美国的注意,毕竟美国下一代战机的用钛比例很大,如果俄罗斯国防出口公司控制了阿维斯玛公司的大部分股权的话,国际钛合金的价格上扬将不可避免,这样F-22和F-35的项目将有不确定的因素在里面。所以近期美国最大的钛材商Timet已经来到中国寻求潜在的合作伙伴,希望在中国的市场上找到类似俄罗斯的供应商或者可以合资建厂,把中国生产的钛材用在美国的项目上,在价格上很有优势,而且质量可靠,可以说对未来美军F-22和F-35的项目很有帮助。(让偶郁闷啊~~~)

某一种全球性材料供应如此突出的影响国防工业,很少见,这也是自二战钢铁紧缺以来的第一次,所以F-22和F-35的价格将取决于未来钛的供应情况。

现今全球经济已经逐步走出低谷,国际航空业开始出现恢复性增长,国际钛材行业也随着这个大潮迎来快速增长的新时期,中国企业也将迎来新的机遇。(悲还是喜啊?)

近几年是第四代战斗机的换代的起始,随后的很多年里面,每年将有很多新型战斗机进入军队。新型战斗机在选材上很有讲究和前瞻性,在未来很多年内,军事和航空工业必然是钛材的第一大用户。


霉菌近期又公布了一种新型的潜艇携带的“鸬鹚”无人攻击机的概念。“鸬鹚”无人机的长度为5.8米,翼展4.86米,属于多次重复使用的无人战斗机机。“鸬鹚”是由著名的洛-马公司臭鼬工厂提出概念设计的,因为其出入的通道主要是海水,因此全机为钛合金制成,以防止腐蚀的产生,总起飞重量不超过4吨,可携带453千克的有效载荷,考虑使用方式主要是从俄亥俄级核潜艇的战略导弹发射筒发射,主要用于摧毁近海岸目标。该机的进气口位于机头部位,呈三角形。由于采用了钛合金,其机体强度极高,可承受150英尺水深的压力。并且为了防止外压失稳的发生,机体的内部不必要的空间一律使用特殊的塑料进填充。为了增加飞行的隐蔽性,其外形也采用了复杂的隐身设计。“鸬鹚”的最大飞行速度预计将达到880千米/小时,巡航速度为550千米/小时,最高飞行高度10.7千米,作战半径达926千米,可持续飞行3个小时。钛的优良品质被体现的淋漓尽致啊!(见下图)

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②海军方面的钛应用情况

海军上面钛的应用也是十分广泛的,主要应用大国就是苏联/俄罗斯的潜艇。

“阿库拉”级(Akula)攻击核潜艇:“阿库拉”级采用水滴型、双壳体,里面一层为钛合金制造。由苏联著名的“孔雀石”潜艇设计局设计,共青城船厂和北德文斯克船厂制造。(见下图)

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“塞拉”级攻击核潜艇:俄罗斯的“塞拉”(Sierra)级(也称S级)多用途攻击核潜艇。可以说是俄罗斯庞杂的核潜艇家族中最神秘的一位。主要是因为“塞拉”级艇采用钛合金双壳体,它的大潜深、高航速、强火力与良好的隐身性能令人印象深刻。但造价非常昂贵,绰号“金鱼”,只建造了4艘。(见下图)

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而钛材在潜艇上的颠峰之作,本人还是觉得应该授予台风级:苏联共建造了6艘“台风”级潜艇,“台风”号是其中的第一艘。“台风”级的特别之处在于:它有一套完整的鱼雷、导弹、动力装置等独立航行和作战系统;采用双壳体结构,储备浮力约32%,两层壳体间有3米多的间距,增强了耐水下爆炸和冲撞的能力。每艘台风级的用钛量约9000吨,相当于现在我国一年的钛产量总和!可见苏联时期在军事上的投入是多么的庞大。(见下图)

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苏联/俄罗斯用钛壳体的核潜艇还有如阿尔法级等等,但都没有形成一定的气候,就不再叙述。潜艇上的钛除了使用在壳体上外,就是使用在潜艇的管道和冷凝器上,现在几乎所有的潜艇和水面舰艇上的冷凝器都是用的钛材做的,可以说在潜艇和舰艇的寿命内,一般情况下不用更换钛冷凝器,一来可以节省维护费用,二则不会因为冷凝器故障的问题降低出勤率。

因为材料价格和产量的原因,其他国家的潜艇很少有报道说采用了钛壳体的情况。


钛及其合金的性能无庸质疑,各种钛合金的冶金过程对大国来说也是很常规的东西,只是考虑成本的问题。随着经济的发展,国防上的特殊要求也有能力去保证了,所以说钛及其合金在未来的民用和军用领域都将迎来快速的发展。同时钛及其合金也将大大提升部分特殊装备的性能。

钛及其合金的前途不可估量!


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