鈦工業(yè)現(xiàn)狀及鈦在國防工業(yè)上的應(yīng)用
鈦工業(yè)現(xiàn)狀及鈦在國防工業(yè)上的應(yīng)用
鈦工業(yè)的發(fā)展
鈦及其合金由于密度小(4.51g/cm3)、強(qiáng)度高（有的達(dá)到1000MPa）、比強(qiáng)度大、高低溫性能優(yōu)異，因此首先被廣泛應(yīng)用于航空、航天等行業(yè)，成為軍事工業(yè)不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。除此之外，鈦及其合金在很多化學(xué)介質(zhì)中優(yōu)異的耐腐蝕性能及其它綜合性能，又被石油、化工、醫(yī)藥、體育等民用行業(yè)廣泛接受，逐步取代各種金屬材料，在短時間內(nèi)躍居金屬材料使用的第三位。
鈦元素發(fā)現(xiàn)于1789年，1908年挪威和美國開始用硫酸法生產(chǎn)鈦白，1910年在試驗室中第一次用鈉法制得海綿鈦，1948年美國杜邦公司(DUPONT)才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦，這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。
反應(yīng)過程如下：
TiO2+Cl2 → TiCl4
TiCl4+Mg → Ti
可見鈦材生產(chǎn)過程中涉及劇毒化學(xué)介質(zhì)氯氣（二戰(zhàn)中的化學(xué)武器）和貴金屬鎂，而且反應(yīng)過程需要大量的能量，這就是鈦材昂貴的原因。這個過程冶煉出來的鈦材還不能用于生產(chǎn)，因為它還是多孔疏松狀的，形似海綿，稱為海綿鈦，海綿鈦將被置于真空自耗電弧爐中冶煉出鈦錠，用于板材、棒、管子及其他形式鈦材的生產(chǎn)。
我國鈦資源豐富，礦產(chǎn)比較集中，換算成TiO2總儲量達(dá)90億多噸，為世界第一。鈦礦主要分布在四川、云南、廣東、廣西和海南等省區(qū)，其中攀枝花地區(qū)的蘊(yùn)藏量占世界總儲量的35%。然而，同世界主要鈦礦產(chǎn)地相比，我國的天然金紅石（TiO2）資源少，易開采利用的砂礦少。鈦礦多為鈦釩鐵共生巖礦，選冶起始成本高。
中國鈦工業(yè)起步于20世紀(jì)50年代，1954年北京有色金屬研究總院開始進(jìn)行海綿鈦制備工藝研究，1956年國家把鈦當(dāng)作戰(zhàn)略金屬列入了12年發(fā)展規(guī)劃，1958年在撫順鋁廠實現(xiàn)了海綿鈦工業(yè)試驗，成立了中國第一個海綿鈦生產(chǎn)車間，同時在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工材生產(chǎn)試驗車間。
1980年前后，我國海綿鈦產(chǎn)量達(dá)到2800噸，然而由于當(dāng)時大多數(shù)人對鈦金屬認(rèn)識不足，鈦材的高價格也限制了鈦的應(yīng)用，鈦加工材的產(chǎn)量僅200噸左右，我國鈦為業(yè)陷入困境。
截止到2003年底，我國海綿鈦的年產(chǎn)能力為4000噸，其中遵義鈦廠3000噸（擴(kuò)建項目2005年基本上完工，年產(chǎn)可超過5000噸），撫順鈦廠1000噸。由于近年來我國持續(xù)發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)對鈦材的需求旺盛，上述兩廠均能滿負(fù)荷生產(chǎn)，2003年的總產(chǎn)量也是4000余噸，2004年達(dá)到4809噸。
2002年，我國進(jìn)口海綿鈦2147噸，出口11噸，凈進(jìn)口2136噸；2003年1-11月份，我國進(jìn)口海綿鈦2609.9噸，出口72.7噸，凈進(jìn)口2534.2噸。
2002年我國生產(chǎn)海綿鈦3328噸，實際銷售3079噸；2003年我國生產(chǎn)海綿鈦4112噸，銷售4128噸�？墒怯捎趪H大化工、航空航天業(yè)的規(guī)模發(fā)展，已經(jīng)讓國際鈦材走向供不應(yīng)求的局面，導(dǎo)致從2002年來我國鈦材瘋狂上漲的局面。
2002年我國主要鈦加工材企業(yè)的鈦材生產(chǎn)量在不同領(lǐng)域的銷售分配見下表：
我國主要鈦加工材企業(yè)的鈦材生產(chǎn)量在不同領(lǐng)域的銷售分配（%）
鈦加工材的產(chǎn)能決定于鈦錠的生產(chǎn)能力，也就是國家擁有真空自耗電弧爐的總體噸位。我國基本具有了20000t/a的鈦錠生產(chǎn)能力。以70%可轉(zhuǎn)化成鈦材計，基本具有了14000t/a的生產(chǎn)能力。
據(jù)初步統(tǒng)計，2003年我國實際生產(chǎn)鈦材約6000噸，占世界總產(chǎn)量的10%左右�？梢娭袊拟伡庸すI(yè)還不是很發(fā)達(dá)，需要時間和投入。
目前，我國鈦加工及其制造業(yè)在地理上體現(xiàn)了三分天下的格局：
以寶雞為中心的西北地區(qū)。這個地區(qū)以寶雞有色金屬加工廠及其控股的寶雞鈦業(yè)有限公司為龍頭，形成了我國專業(yè)化程度最高、加工設(shè)備最系統(tǒng)化、產(chǎn)品規(guī)格最多的鈦加工及其制造業(yè)基地。西北地區(qū)的鈦材主要供給給國家的軍事生產(chǎn)部門，民用的設(shè)備生產(chǎn)部門，部分出口到波音，麥道，羅-羅等著名公司。
以沈陽有色金屬加工廠、撫順特鋼板材有限責(zé)任公司、沈陽東方鈦業(yè)有限公司等單位為主形成了東北鈦加工及設(shè)備制造集團(tuán)，該地區(qū)中小企業(yè)多，鈦設(shè)備制造頗為活躍，由于東北是我國的老重型工業(yè)基地，人才是不缺的，缺的就是強(qiáng)化的管理和綜合組織能力，尤其是在地方優(yōu)惠政策的扶持下也將形成一定的氣候。
以寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司、南京寶鈦中惠集團(tuán)有限公司、張家港市宏大鋼管廠等單位為主形成了長江三角洲鈦加工及其設(shè)備制造集團(tuán)。長三角地區(qū)的有色金屬的設(shè)備的加工能力已經(jīng)可以體現(xiàn)我國在這個方面的實力，每年在有色方面的設(shè)備大量出口，質(zhì)量可靠，已經(jīng)有部分質(zhì)量，管理比較成功的企業(yè)走進(jìn)了軍工制造的大門。雖說沒有大規(guī)模的軍品生產(chǎn)，但也能充分說明我們的制造能力和鈦材在軍事上的應(yīng)用的前景。
在2005年前后，我國海綿鈦和鈦加工材的單廠產(chǎn)能達(dá)到年產(chǎn)5000噸的基本經(jīng)濟(jì)規(guī)模，加上振興東北計劃中的5000噸/年海綿鈦項目，基本上能實現(xiàn)我國幾代鈦業(yè)工作者的宿愿，上一個大臺階，必將使我國成為鈦工業(yè)的強(qiáng)國。
世界上能完成鈦礦山—冶金—加工—鈦設(shè)備制造及科研—設(shè)計—應(yīng)用兩個完整體系的國家只有四個：美國，蘇聯(lián)/俄羅斯，日本，中國。這也是現(xiàn)代冶金工業(yè)的典范。下表就可以體現(xiàn)出近來世界上一些主要鈦材料生產(chǎn)商的情況。
世界海綿鈦生產(chǎn)廠家和生產(chǎn)能力
由上表可見鈦生產(chǎn)大國都是發(fā)達(dá)國家和前蘇聯(lián)的國家（除中國外），鈦生產(chǎn)工藝的特殊性讓資金不雄厚的國家進(jìn)退兩難。作為主導(dǎo)世界航空工業(yè)的金屬，鈦材料正成為一些國家謀求世界航空主導(dǎo)權(quán)的工具。
由于阿維斯瑪公司全球飛機(jī)制造業(yè)的最大材料供應(yīng)商（供應(yīng)波音35%的鈦材和空客50%的鈦材），除每年要供應(yīng)波音25~45萬噸產(chǎn)品（含鎂合金），還要增加深加工產(chǎn)品的份額，同時俄羅斯還和波音和空客都有合作項目（新型飛機(jī)研發(fā)制造公司）。
鈦在國防工業(yè)上的應(yīng)用
（1） 我國國防工業(yè)使用鈦的情況
無論是美國還是俄羅斯，其鈦材主要應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)和造船業(yè)。近年來，我國這兩個領(lǐng)域發(fā)展很快，不斷有新型飛機(jī)量產(chǎn)，在研的項目也很多，估計這兩個領(lǐng)域的用鈦量將會大幅增加。我國在鈦合金使用上面早已成熟，假以時日，我們的鈦合金的應(yīng)用也能讓航空航天工業(yè)飛躍。在航天領(lǐng)域，中國第一臺大型全鈦紫外太空望遠(yuǎn)鏡也已經(jīng)制造并實驗完畢，鈦合金在太空領(lǐng)域的應(yīng)用前途光明。
每種鈦合金都有各自的用途。飛機(jī)制造和航天工業(yè)運(yùn)用鈦合金大家已經(jīng)十分了解，在社會生活及在機(jī)械業(yè)中的使用更是多多，象眼鏡架、高爾夫球桿、、超級運(yùn)動自行車等等。但在陸軍和海軍中的使用我們卻是知之甚少，而且相關(guān)的文章和說明也不是很多，下面就列舉一些我國高性能鈦合金在國防工業(yè)的應(yīng)用情況。
1.發(fā)動機(jī)業(yè)：
鈦5Al2.5Sn高強(qiáng)鈦合金—齒輪套、發(fā)動機(jī)外殼、葉片罩
鈦8Al1Mo1V高溫鈦合金—發(fā)動機(jī)葉片、陀螺儀導(dǎo)向罩、內(nèi)蒙皮
鈦6Al4V（抗拉強(qiáng)度≥895MPa）熱處理強(qiáng)化鈦合金—核心機(jī)葉片及葉輪
2.航空業(yè)：
鈦6Al2Sn強(qiáng)化鈦合金—緊固件、導(dǎo)向裝置、重要結(jié)構(gòu)
鈦4AlMo1V鈦合金—飛機(jī)骨架
鈦Sn5Zr1Mo鈦合金—起落架、飛機(jī)承重架、緊固件
3.航天業(yè)
鈦合金1M1315—火箭機(jī)盤、導(dǎo)彈基座構(gòu)件
鈦合金1M1550—導(dǎo)彈動力葉片套
鈦合金T-A6V—飛船主用材料
4.陸軍業(yè)
我國已經(jīng)研制成功了83-1型和83-2型兩種迫擊炮。83-1型82迫擊炮廣泛采用了鈦合金，把全炮重量降低到18.1公斤，極其方便班、排這樣的小單位的襲擾戰(zhàn)的開展。
鈦A7D—新型裝甲車輛力學(xué)分析鍛件
鈦A6Z5W—反坦克火箭（導(dǎo)彈），地空導(dǎo)彈罩等抗蠕變性要求高的部件
鈦1M1551—某裝甲車輛火力高速旋轉(zhuǎn)部件
5.海軍業(yè)
LT41鈦合金—艦船大面積蒙皮
3.7114鈦合金—可焊性優(yōu)良，成型性好適合各種水密隔層
鈦V13CA鈦合金—蜂窩狀艦身，承重框架
鈦合金在艦船上使用是很有前途的。這跟鈦合金的強(qiáng)度、韌性有關(guān)系，還有就是耐腐蝕性，海水中的鈦是極其穩(wěn)定的，基本上可以認(rèn)為船體是不會腐蝕的，這樣既可以減少維護(hù)的費(fèi)用，也可以減輕船體的重量，對艦艇來講是莫大的好處。除此之外，還有必要提及兩點：第一，鈦是無磁性的，對抗磁性探測有很大的幫助。二是跟先進(jìn)的艦船復(fù)合材料涂層有天生的融合性，未來將使用的隱身復(fù)合材料有個缺點，就是跟以前艦船使用的高強(qiáng)特種鋼起反應(yīng)，由于電位差容易在海水中產(chǎn)生電偶，加快腐蝕。
（2）其他國家國防工業(yè)使用鈦的情況
世界上已經(jīng)退役的，正在服役的或者在研武器裝備中，很多都使用了鈦及其合金的結(jié)構(gòu)件，隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭模式的轉(zhuǎn)變，要求現(xiàn)代化的軍隊的快速機(jī)動能力十分突出，所以對于陸軍來說必須依仗運(yùn)輸機(jī)的能力來達(dá)到快速的機(jī)動，這就要求陸軍本來粗重的裝備盡量的輕型化，比如現(xiàn)在各國都希望自己的炮兵能快速有效的迅速轉(zhuǎn)移到另外一個地方，達(dá)到戰(zhàn)略或者戰(zhàn)術(shù)上的目的，這必然使鈦合金在火炮領(lǐng)域的發(fā)展前途一片光明，象美國的M777輕型榴彈炮，由于使用了鈦合金外殼，戰(zhàn)斗全重下降到了3.175噸，可以使用V22或者C130空運(yùn)，達(dá)到快速機(jī)動的能力。類似的還有英國的UFH超輕型155毫米火炮，不到4噸的重量里面使用了1噸的鈦合金。在空軍和海軍裝備的領(lǐng)域則更是如此，下面就簡單的介紹鈦合金成功應(yīng)用的典型事例：
①飛機(jī)用鈦數(shù)據(jù)（未注明均指毛坯用量）
國際鈦協(xié)會2002年10月在美國奧蘭多舉辦的年會上公布了下列飛機(jī)用鈦新數(shù)據(jù)：
1.計劃于2004年問世的第一架超大型客機(jī)—空客A380，用鈦量為45t/架-65t/架；
2.波音客機(jī)，用鈦量占其總重的15%-17%（凈重）；
3.F15戰(zhàn)斗機(jī)，結(jié)構(gòu)用鈦5.75t，2臺噴氣發(fā)動機(jī)用鈦5t；
4.F22戰(zhàn)斗機(jī)（正在開發(fā)中），結(jié)構(gòu)用鈦36t，2臺發(fā)動機(jī)用鈦5t；
5.聯(lián)合開發(fā)的F35戰(zhàn)斗機(jī)，結(jié)構(gòu)用鈦10t，單臺發(fā)動機(jī)用鈦5t；
6.F18艦載戰(zhàn)斗機(jī)，用鈦量占其總重的12%-13%（凈重）；
7.C-17大型運(yùn)輸機(jī)，用鈦量占其總重的10%（凈重）；
8.歐洲EF2000，將減少用鈦量，改為復(fù)合材料。
由此可見鈦在世界航空航天領(lǐng)域的重要地位，尤其是在發(fā)動機(jī)制造，機(jī)體制造方面更是如此。
上文提到俄羅斯有意加強(qiáng)對戰(zhàn)略稀有金屬鈦進(jìn)行控制，已經(jīng)引起了美國的注意，畢竟美國下一代戰(zhàn)機(jī)的用鈦比例很大，如果俄羅斯國防出口公司控制了阿維斯瑪公司的大部分股權(quán)的話，國際鈦合金的價格上揚(yáng)將不可避免，這樣F-22和F-35的項目將有不確定的因素在里面。所以近期美國最大的鈦材商Timet已經(jīng)來到中國尋求潛在的合作伙伴，希望在中國的市場上找到類似俄羅斯的供應(yīng)商或者可以合資建廠，把中國生產(chǎn)的鈦材用在美國的項目上，在價格上很有優(yōu)勢，而且質(zhì)量可靠，可以說對未來美軍F-22和F-35的項目很有幫助。
某一種全球性材料供應(yīng)如此突出的影響國防工業(yè)，很少見，這也是自二戰(zhàn)鋼鐵緊缺以來的第一次，所以F-22和F-35的價格將取決于未來鈦的供應(yīng)情況。
現(xiàn)今全球經(jīng)濟(jì)已經(jīng)逐步走出低谷，國際航空業(yè)開始出現(xiàn)恢復(fù)性增長，國際鈦材行業(yè)也隨著這個大潮迎來快速增長的新時期，中國企業(yè)也將迎來新的機(jī)遇。
近幾年是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的換代的起始,隨后的很多年里面,每年將有很多新型戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入軍隊。新型戰(zhàn)斗機(jī)在選材上很有講究和前瞻性，在未來很多年內(nèi)，軍事和航空工業(yè)必然是鈦材的第一大用戶。
美軍近期又公布了一種新型的潛艇攜帶的“鸕鶿”無人攻擊機(jī)的概念�！胞R鶿”無人機(jī)的長度為5.8米，翼展4.86米，屬于多次重復(fù)使用的無人戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)�！胞R鶿”是由著名的洛-馬公司提出概念設(shè)計的，因為其出入的通道主要是海水，因此全機(jī)為鈦合金制成，以防止腐蝕的產(chǎn)生，總起飛重量不超過4噸，可攜帶453千克的有效載荷，考慮使用方式主要是從俄亥俄級核潛艇的戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射，主要用于摧毀近海岸目標(biāo)。該機(jī)的進(jìn)氣口位于機(jī)頭部位，呈三角形。由于采用了鈦合金，其機(jī)體強(qiáng)度極高，可承受150英尺水深的壓力。并且為了防止外壓失穩(wěn)的發(fā)生，機(jī)體的內(nèi)部不必要的空間一律使用特殊的塑料進(jìn)填充。為了增加飛行的隱蔽性，其外形也采用了復(fù)雜的隱身設(shè)計�！胞R鶿”的最大飛行速度預(yù)計將達(dá)到880千米/小時，巡航速度為550千米/小時，最高飛行高度10.7千米，作戰(zhàn)半徑達(dá)926千米，可持續(xù)飛行3個小時。鈦的優(yōu)良品質(zhì)被體現(xiàn)的淋漓盡致。
②海軍方面的鈦應(yīng)用情況
海軍上面鈦的應(yīng)用也是十分廣泛的，主要應(yīng)用大國就是蘇聯(lián)/俄羅斯的潛艇。
“阿庫拉”級（Akula）攻擊核潛艇：“阿庫拉”級采用水滴型、雙殼體，里面一層為鈦合金制造。由蘇聯(lián)著名的“孔雀石”潛艇設(shè)計局設(shè)計，共青城船廠和北德文斯克船廠制造。
“塞拉”級攻擊核潛艇：俄羅斯的“塞拉”（Sierra）級（也稱S級）多用途攻擊核潛艇�？梢哉f是俄羅斯龐雜的核潛艇家族中最神秘的一位。主要是因為“塞拉”級艇采用鈦合金雙殼體，它的大潛深、高航速、強(qiáng)火力與良好的隱身性能令人印象深刻。但造價非常昂貴，綽號“金魚”，只建造了4艘。
而鈦材在潛艇上的顛峰之作，應(yīng)該授予臺風(fēng)級：蘇聯(lián)共建造了6艘“臺風(fēng)”級潛艇，“臺風(fēng)”號是其中的第一艘�！芭_風(fēng)”級的特別之處在于：它有一套完整的魚雷、導(dǎo)彈、動力裝置等獨(dú)立航行和作戰(zhàn)系統(tǒng)；采用雙殼體結(jié)構(gòu)，儲備浮力約32%，兩層殼體間有3米多的間距，增強(qiáng)了耐水下爆炸和沖撞的能力。每艘臺風(fēng)級的用鈦量約9000噸，相當(dāng)于現(xiàn)在我國一年的鈦產(chǎn)量總和。
蘇聯(lián)/俄羅斯用鈦殼體的核潛艇還有如阿爾法級等等，但都沒有形成一定的氣候，就不再敘述。潛艇上的鈦除了使用在殼體上外，就是使用在潛艇的管道和冷凝器上，現(xiàn)在幾乎所有的潛艇和水面艦艇上的冷凝器都是用的鈦材做的，可以說在潛艇和艦艇的壽命內(nèi)，一般情況下不用更換鈦冷凝器，一來可以節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，二則不會因為冷凝器故障的問題降低出勤率。
因為材料價格和產(chǎn)量的原因，其他國家的潛艇很少有報道說采用了鈦殼體的情況。
鈦及其合金的性能無庸質(zhì)疑，各種鈦合金的冶金過程對大國來說也是很常規(guī)的東西，只是考慮成本的問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國防上的特殊要求也有能力去保證了，所以說鈦及其合金在未來的民用和軍用領(lǐng)域都將迎來快速的發(fā)展。同時鈦及其合金也將大大提升部分特殊裝備的性能
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