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航空用钛材料需求将释放 成钛合金产业未来主要增长点

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20 江望月 • 2018-09-29 14:16:58  来源:前瞻产业研究院 E2538G0

钛合金在航空领域的应用

钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料,以其优异的物理机械性能,如耐热性高、比强度高、抗蚀性好等,广泛地应用在在航空航天。钛合金被应用在航空领域的驱动力包括:相同拉伸和疲劳强度下,降低航空设备重量,可替代钢等;使用温度可在相对较高温度,可替代铝合金等;化学性能稳定,良好的耐蚀性能,可替代铝合金部件等;与聚合物基复合材料有良好的匹配性。

图表1:钛合金和其他合金的主要性能对比

以飞机为例,作为飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一,钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一,是影响飞机性能的一个重要方面。

在军机中,钛合金用量占机体结构重量比为20%-25%,美国第四代战斗机F-22上已高达41%,其应用呈大幅度上升趋势。航空发动机的用钛量也在逐步增加,国外先进航空发动机的钛用量已达30%左右,例如V2500发动机的钛用量就高达31%,第四代发动机F119的钛合金用量为40%

图表2:美国各类战机钛合金比例(单位:%)

另外,根据基体组织不同,钛合金可以分为α合金、β合金以及(α+β)合金。α合金是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃-600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。α合金在军机的应用部位主要包括前机匣壳体、航空发动机等。

β合金的室温强度可达1372-1666MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。(α+β)合金是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。高温强度高,可在400℃-500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

图表3:军用飞机中的钛合金

在民用飞机方面,钛合金用量也在逐步增长,A380用钛占总重量的10%,单机用钛材约60吨。空中客车的钛用量已从第三代A320的4.5%增至第四代A340的6%,而即将问世的A350客机的钛用量进一步提高至15%。

航空用钛材料需求量提升

航天航空装备在现代战争中对制空权的争夺至关重要,根据形势需要,中国近5年陆续制造了国产战斗机、歼击机、武装直升机、大型运输机、预警机等新型武器装备。新形势下,我国未来军机增量前景仍十分广阔。

一方面,我国军机结构不均衡,直升机和运输机占比偏低,不利于我国实施海外远距离作战和物资人员的快速投放,同时旧款军机占比偏高,仍有大量的歼-7、歼-8系列战机,以歼10为首的三代机占比约为三分之一,而美国三代机及以上占比高达75%。另一方面,数量上也存在差距,我国三代机及以上约500架,美国约2100架左右。

图表4:2017年中国军机构成(单位:%)

综合参考美国三代机数量,未来10年,我国新增三代及四代战机的需求预计在1000-1500架左右,届时三代机占比约66%。

图表5:中国未来三代机及以上战机需求测算(单位:架)

歼20空机重量15吨,按照35%的钛合金使用率计算,生产300架,需求将达到1575吨,歼11空机重量16吨,按照15%的钛合金使用率计算,按1200架计算,需求将达到2880吨。年均需求约445.5吨。考虑其他军机需求,预计未来10年年均需求为550吨。

客机领域,由于追求燃油经济性要求机体尽可能轻量化,增加质量轻、强度大的钛合金

用量成为民航客机发展的重要趋势。据预测,未来20年仅国内航空运输市场就需要干线客机5952架,平均一架客机的钛合金需求预计在20-30吨。所以,预计未来20年对钛合金的需求有望超过12万吨,年均需求接近6000吨。

综合民航和军机两大市场,航空领域对高端钛合金的年均使用量将达到6550吨左右。我国航空用钛量仅占钛合金市场10.9%,而全球航空用钛量占钛合金市场的43%,未来航空用钛材料是我国钛合金产业的主要增长点。

更多数据请参考前瞻产业研究院发布的《2018-2023年中国钛产业发展前景预测与投资策略规划报告》。

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