第4章 钛合金材料
4.1 钛合金产业发展的背景需求及战略意义
4.2 钛合金材料产业的国际发展现状及趋势
4.3 钛合金材料产业的国内发展现状
4.4 发展我国钛合金材料产业的主要任务及存在主要问题
4.5 推动我国钛合金产业发展的对策和建议
4.6 面向国家2035年重大战略需求钛合金材料产业技术预判和战略布局 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。 
2020 年，我国共生产海绵钛 122958t（表 4-3），比 2019 年增长了 44.9%，实现连续 6 年 增长（表 4-4 和图 4-1）。从表 4-3 看出，2020 年海绵钛产量超过 2 万吨的是攀钢钛业有限责任公司，超过 1 万吨的有朝阳金达钛业股份有限公司、洛阳双瑞万基钛业有限公司、新疆湘晟新材料科技有限公司、朝阳百盛钛业股份有限公司、贵州遵钛（集团）有限责任公司。6 家超过万吨企业的产量占全国的 78.4%。尽管我国海绵钛产量已超过了 12 万吨，但仍然不能满足国内需求，仅 2020 年就进口了海绵钛 4723t，占国内产量的3.9%。 
2020 年我国共生产钛锭 119937t，比 2019 年增长了 35.2%，比 2015 年增长了 100.8%。实现了连续 6 年增长，如表 4-5 和图 4-2 所示。 
2020 年我国共生产钛加工材 97029t，比 2019 年增长了 28.9%，比 2015 年增长了 99.5%， 已连续 6 年增长，产量见表 4-6 和图 4-3。尽管如此，2020 年我国仍然进口了钛加工材 6139t，占产量的 6.3%。 
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。 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。 以 2020 年为例进行分析。百年一遇的新冠肺炎疫情重创全球经济。各国封锁措施一度使经济大面积停摆。我国经济随着国家对疫情的严控，逐步走出低谷。中国钛工业也随着经济的复苏，触底反弹，无论是产能、产量，还是经济效益，均创近 10 年来最高水平。2020 年， 我国钛工业呈现出近 10 年来少有的喜人局面，我国钛工业正步入新一轮发展的快车道，整体钛产业正向着诸多利好的方向发展。 2020 年，我国海绵钛行业经过近 10 年的结构调整、优化整合，迎来了高速发展。主要海绵钛生产企业通过多年的技术优化、升级和设备更新，已逐步向全流程、大型化和精细化方向发展。2020 年，受国外钛矿产资源供应紧缺，以及国内钛白和金属钛需求增长的双重驱动，海绵钛产品量价齐升，国内主要海绵钛生产企业均新建、扩建和复产，产能同比增长了 12.0%，达到创纪录的 17.7 万吨。 我国钛加工行业通过近 10 年的结构调整和转型升级，2020 年已形成以宝钛集团有限公司、西部超导材料科技股份有限公司、湖南湘投金天钛金属股份有限公司和西部材料科技股份有限公司（含西部钛业有责任公司）等国有大型企业为代表的一线龙头企业，他们以各自的多年行业技术积累为依托，无论在产量还是在利润水平方面，均取得了近 10 年来的最高水平。宝钛、西部超导、西部材料 3 家龙头企业均在陕西宝鸡和西安，说明陕西是我国钛加工行业的优势省份和基地；以新疆湘晟新材料科技有限公司、重庆金世利航空材料有限公司和陕西天成航空材料有限公司等为代表的民营企业，由于持续看好未来国防、医疗等高端领域市场需求，利用各自的资金、专用设备和灵活的经营机制，在各自细分领域取得了突出的业绩。例如新疆湘晟新材料科技有限公司新上两台 4m×10m 真空蠕变炉生产线；重庆金世利航空材料有限公司新上 12t 真空自耗电弧炉（最大钛锭 17t）；陕西天成航空材料有限公司从乌克兰引进了 3150kW 真空冷枪电子束冷床炉，并自主研发、设计了中国首条航空级钛合金棒线材全流程控温控轧生产线，已在 2021 年上半年投产；宝鸡拓普达钛业公司新上奥地利产 GFM450 精锻机；宝鸡大力神航空新材料科技股份有限公司新上兰石 6000t 快锻机和奥地利产 GFM500 精锻机；西安赛特金属材料有限公司通过掌握国际先进钛合金连续轧制装备的原理及关键控制点，采用自主设计—模拟试验—调整参数—设备定型的技术路线，研制了国产 化控温控速小规格棒丝材自动化连轧装备，解决了钛合金大单重盘圆棒丝材关键的“卡脖子” 技术，打通了工艺，首次成功开发国产单重大于等于 170kg 的钛合金盘圆丝材，丝材尺寸、 性能、组织的一致性、稳定性均达到了国内领先水平，解决了航空紧固件用大单重盘圆丝材 “卡脖子”技术难题，实现了关键设备、核心技术与生产工艺的自主可控，填补国内紧固件用 大单重丝材领域空白，确保紧固件原料持续可控的自主保供等。钛行业经过近几年的产业结构调整，加工设备已逐步专业化，自动化程度提高。钛合金材料逐步向高端航空航天、海洋船舶、医疗、兵器等领域迈进。 2020 年我国钛行业结构性调整已初见成效，已由过去的中低端化工、冶金和制盐等行业需求，正快速转向中高端的军工、PTA 和海洋工程等行业发展，行业利润由上述中低端领域正逐步快速向以军工为主要需求的高端领域转移，尤其是高端领域的下游紧固件、3D 打印以及高端装备制造等产品精加工领域。 2020 年，在航空航天、海洋工程、化工（PTA 高端装备）、船舶和体育休闲等行业需求的拉动下，我国海绵钛的产量同比增长了 44.9%，首次突破 10 万吨；钛加工材的产量同比增 长了 28.9%，达到历史最高水平，产量接近 10 万吨。海绵钛和钛材的产量均连续 6 年增长。国内前 10 家主要钛材生产企业的钛材销量占总量的 79.9%，比上一年略有提高，产业聚集度进一步提高。 2020 年，虽然受突如其来的全球疫情影响，我国钛工业在外贸和内贸方面承受了一定的压力，但在国家的严控措施下，我国钛工业无论在产量、产能还是在经济效益上都取得了突 飞猛进的发展，其中，高端化工、航空航天、海洋工程、船舶和体育休闲等领域的钛材需求量呈加速增长势头，平均增长幅度在 20% 以上，医疗行业受疫情影响需求有所回落，电力和制盐等行业也有一定的增长，但增幅不大，行业整体盈利能力进一步增强。 2020 年，我国钛行业在以军工为龙头的高端行业需求拉动下，产量和价格齐升，连续 6 年稳步增长，其中海绵钛（1 级）的价格自 2020 年 6 月触底反弹后，到 2021 年初，已上涨 47%。钛加工材尤其是航空钛合金材料的价格也同步有所上涨。 在进出口贸易方面，受国际疫情的影响，2020 年我国海绵钛的进口量减少了 33.8%，出口量则减少了 47.6%；我国钛加工材的进口量减少了 24.4%，出口量同比减少了 27.1%；在进口方面，只有航空航天等高端领域用钛合金丝材和钛合金粉末继续保持稳定增长，其他品种的进口量均有所回落，这也反映出国产钛材在高端紧固件和 3D 打印等领域还难以满足国内需求，而钛合金薄板和厚板的进口量虽略有减少，但基本稳定，这也反映出我国在高端领域 的钛合金薄板和厚板对国外仍有一定的依赖；在出口方面，几乎所有品种的出口量均同比有所减少，这也反映出国际钛市场受疫情影响，钛材需求减少了近三成。 综上所述，目前我国高端需求用航空级海绵钛、3D 打印用钛粉、航空紧固件用钛合金棒丝材、船舶用钛合金宽厚板坯等产品由于在批次稳定性上还与国外有一定的差距，仍需进口， 但通过宝钛股份、西部超导、西部材料等龙头企业的装备进步和技术创新，差距正逐步缩减， 产品质量不断提高。
2020 年，我国钛行业受新冠疫情影响，市场表现出先抑后扬的走势。2020 年，国外主要钛矿面临枯竭，其他国家出口我国的钛矿供应不稳定，中国钛白粉需求量稳定增长。我国钛原料市场供需两旺，钛矿价格涨至高位，矿山企业利润大增，而氯化法钛原料企业仍处于盈亏边缘。其中硫酸法及氯化法钛矿价格已接近 8 年价格高点，酸溶性钛渣价格接近 3 年来的 高点，而氯化法钛原料氯化渣市场因供应有所过剩，市场价格创 3 年新低，自 2020 年四季度价格有所回升，在 2020 年末价格较 2020 年初仍有 300 元 /t 的跌幅。 2020 年，在国外钛原料价格上涨以及国内钛需求旺盛的双重驱动下，国内海绵钛和钛材价格也从下半年开始持续上涨。到 2020 年底，国内１级海绵钛的价格同比上涨了 47%，并一直保持在高位运行。 2020 年，我国海绵钛产量达到 12.3 万吨，国内需求量达到 12.7 万吨，同比大幅增长了 39.7%，我国钛材的产量达到 93596t，国内需求量为 84489t，同比大幅增长了 50.7%。 由于我国高端钛市场需求旺盛以及国外钛原料价格持续上涨，国内海绵钛主要生产企业扩建、复产和新建的产能扩张了 12.0%，达到历史高位的 17.7 万吨，在市场需求拉动下，预 计产能扩张还将继续。 在当前国家鼓励科技创新和内循环的大背景下，2020 年比 2019 年国内钛材需求量同比大幅增长了 50.7%，我国钛材消费领域呈现出不同的增长势头。除医疗行业用钛量受疫情影响略有下降外，其他行业均同比有一定的增长，尤其是海洋工程、体育休闲、船舶、航空航天和高端化工（PTA）行业，同比消费增长幅度高于三成。其中，主要是军工行业涉及的海洋工程、航空航天和船舶领域的用钛量增长幅度最大，上述三个领域的用钛量占总销量的 29%，预计未来还将持续增长。体育休闲用钛量的增长，主要是受国外疫情影响，国外盛行高尔夫球运动，导致钛制高尔夫球杆用钛量激增，需求量创近 10 年最高纪录；在国内消费需求拉动下，高端化工装备（PTA）用钛量持续三年保持高速增长态势，2020 年增幅达 34.6%；传统行业制盐和电力的钛材需求增长幅度最小。 从总量上来看，由于化工（PTA）领域新扩建项目的需求拉动，钛材需求增长幅度最大 （12223t），其次是航空航天（4628t）、海洋工程（4078t）、船舶（988t）和电力（525t），从此也反映出国家在“十三五”期间的产业重点发展方向，以及我国钛加工材在高端领域的发展趋势。 2020 年，我国在高端化工（PTA）、航空航天、船舶和海洋工程等中高端领域的钛加工材需求同比大幅增长，钛材需求总量同比增长了 28439t，是近 6 年来增长幅度最大的一年， 同比增长了 50.7%，预计未来 3 ～ 5 年内，上述高端领域的需求还将呈现出快速增长的趋势。 近 6 年，经过相关科技人员的努力，取得了众多的工程技术成就。 ① 开发的多种钛合金材料成功应用于我国重要工程。如我国创新研制的高强高韧损伤容限钛合金 TC21 和具有我国特色的中强高韧损伤容限钛合金 TC4-DT 实现大规格棒材批量化生产，已成功应用于我国新型战机等（图 4-4 为某 飞机用 TC21 合金的锻件），成为我国航空领域 的主干钛合金牌号；创新研制的 CT20 低温钛合 金管（图 4-5）、板材、丝材及管件等成功应用于我国新一代航天器中。研制的特殊耐腐蚀钛合金 Ti35 在核乏燃料后处理设备中已经获得应用（图 4-6），是我国 200t 后处理示范工程设备用核心材料之一。 
② 钛合金的熔炼技术得到提升。工业化钛合金铸锭成分的均匀性、一致性能够得到保证。国内相关企业等实现了 SP700、Ti-1023 等易偏析钛合金的 3 ～ 5t 级高均质铸锭的工业化 制备，掌握了 TC4（图 4-7）、Ti80、TA15 等常用钛合金 10t 级超大规格高均质铸锭的制备技术。电子束冷床（EB）炉熔炼的多组元钛合金扁锭的成分均匀性有明显提升（图 4-8）。 
③ 钛合金的锻造技术水平迈上了新台阶。国内主要钛合金生产企业掌握了 TC4（图 4-9）、 TC21（图 4-10）、TC18、TC4-DT、TA15 等常用钛合金高品质大规格锻坯及棒材的稳定化制 备技术，成材率、探伤水平、组织均匀性都获得了显著提升。 
④ 钛合金板材制备技术得到提升。生产的 TC4、TC4 ELI、Ti70、TA5 等钛合金板材已在我国重要工程上获得成功应用。西部钛业公司开发出航空用高品质 TC4 钛合金厚板生产新 工艺（图 4-11），使产品质量稳定性（合格率 95% 以上）、成材率（原有水平的 1.5 倍）、生 产效率（提高 2 倍）大幅度提升，使国内高品质钛合金厚板制备技术得到了跨越式提高，满足了重大型号急需。开发出超大规格钛合金厚板制备工艺，制备出国内最大规格及单重的 TC4 钛合金厚板（图 4-12），为深海空间站、舰船等装备对超大规格钛合金构件的需求提供支撑。西北有色金属研究院、西部钛业公司、宝钛股份公司制备的细晶 TC4 和 TA15 等钛合 金超塑板材获得批量应用（图 4-13）。 
图 4-13 西北有色金属研究院和西部钛业公司制备的（0.5 ～ 4.0）mm ×（≥ 1200）mm ×（≥ 2400）mm 的宽幅细晶（平均晶粒尺寸≤ 5μm）超塑性 TA15、TC4 合金板材和组织照片（a），以及 TA15 细晶超塑性板材 超塑性拉伸试验试样照片（b）
西部钛业公司开发出装甲用低成本高强度 Ti-5322 钛合金板材制备技术（图 4-14），形成可稳定化生产的工艺技术文件，可制备系列规格的装甲板材，其抗弹性能显著优于 Ti-6Al-4V 钛合金，达到国际先进水平，成为陆军四代装备的选材之一；开发出装甲用 TC4 钛合金板材制备工艺，抗弹性能优于同牌号航空用钛合金板材及进口材料，满足了新型号的研制需求。并将其拓展用于高尔夫球头，寿命相比 TC4 合金提高 2 倍以上。 ⑤ 大口径钛及钛合金无缝管材及弯管制备技术得以提升。制备出合格的大口径无缝管材及弯管，如 TA2 大口径超薄壁无缝管，大口径薄壁、超薄壁管材，Ti-75 和 Ti-80 大口径管材 （图 4-15）。 
⑥ 钛合金型材及深加工制品制备技术得到明显提升。我国研制的厚壁钛合金型材的挤压制备技术逐步稳定，制备的钛隔膜、钛毛细管、环形气瓶、球形储箱、药型罩、丝材、各种管件等制品的尺寸、性能稳定性得到提升（图 4-16），并获得实际应用。成功制备的深潜器的载人球体，实现了国产化。开发出攻坚战斗部用钛合金材料及其制备技术，产品已在多个型号导弹中批量化装备，大幅度提升了战斗部的毁伤威力，是国内首个使攻坚药型罩性能得到跨越式提升的实用化轻合金材料，是聚能装药战斗部材料的重大突破。 
⑦ 钛合金材料低成本化制备技术受到高度重视。随着海洋工程、兵器及民用的需求推动，钛合金材料的低成本化制备技术得到发展。在板材制备方面，普遍采用电子束冷床炉回收残料，熔炼出钛及钛合金扁锭，经表面处理后，直接热轧板坯、轧制成成品板材，省去了 铸锭的多火次锻造，使板材的成本明显降低，性能达到使用要求；在管材制备方面，西北有色金属研究院在国家项目支持下，首次直接采用 TC4 合金铸锭，斜轧穿孔、热连轧、定径轧制制备性能合格的 φ108mm×14.5m 的 TC4 合金管材。在棒材制备方面，陕西天成航 空材料有限公司采用“以轧代锻”的制备工艺、全连轧线采用大变形量、控温、控速、自动化、高精度轧制，以大单重坯锭为原料，最大进料直径 φ1000mm，15min 从锭到棒一气呵成，可生产最大长度 24m，或最大直径 φ350mm 的高性能钛合金棒材，性能能够满足使用要求。 未完待续。。。。
