在航空发动机材料构成中,钛合金与高温合金的使用占比都受到复合材料的侵蚀,其中钛合金受到的冲击更为明显;但钛合金在发动机中的整体使用量仍能维持在30%左右。军工合金的技术路线围绕海绵钛提纯—钛锭熔炼—钛材锻造三段展开,竞争壁垒则集中在高等级海绵钛的纯度控制、真空熔炼对高熔点夹杂物的去除能力,以及锻造工艺与装备的配套水平上。复合材料替代的是部分用量份额,而难以替代的是这套成分与工艺体系本身。
技术路线:从海绵钛到钛材的三段式链条
钛工业主要分为钛材与钛白粉两条分支,军工合金走的是钛材这条线,流程是选矿后提纯、再加工成材。
海绵钛环节,提纯的关键是镁还原法。镁还原法存在高能耗、高污染等弊端,海外企业在研发电化学还原等新方法,但目前全球最主流的方法仍是镁还原法。海绵钛按含钛量高低分为7个等级,航空领域通常使用0级以上,化工领域一般为2级左右,也称工业级海绵钛。
钛锭环节,制造工艺与高温合金颇为相似,都通过熔炼完成铸锭,主流设备是VAR(真空自耗电弧熔炼)。但VAR即使三次熔炼也无法完全消除高熔点金属,冷床炉熔炼(CHM)由此应运而生。冷床炉设备主要进口自海外厂商,国内进度较靠前的是宝钛集团旗下装备公司,其自主研制的真空电子束熔炼炉(EB炉)已完成首锭出炉。从国内主要钛合金上市公司的熔炼设备看,宝钛股份配备2400kW电子束冷床炉、15t/10t真空自耗电弧炉等,西部超导、西部材料则以真空自耗电弧炉为主。
钛材环节,钛锭还需二次加工,常见锻造工艺有三种:自由锻、模锻、辗环。前两种偏传统,辗环主要用于无缝环件。三种工艺各有适配的下游产品,并非彼此替代的关系。
竞争壁垒:纯度、熔炼与锻造装备
军工合金的壁垒并不只在配方,而在于整条工艺链的稳定实现能力。
其一,纯度门槛。航空用海绵钛要求0级以上,纯度等级直接决定后续材料能否进入航空应用,杂质控制能力构成第一道筛选。
其二,熔炼能力。VAR与冷床炉的差别在于对高熔点夹杂物的去除效果,而冷床炉设备长期依赖进口,能否自主掌握相关装备,直接影响产品一致性与供应能力。
其三,锻造装备与工艺匹配。国内钛合金锻造企业中,中航重机旗下拥有陕西宏远、贵州安大两家全资子公司及景航锻铸这家非全资子公司,从规模看是国内最大的钛合金锻造企业。各家企业工艺与设备配置不同,例如三角防务具备自由锻与模锻能力,万航模锻以模锻为主,派克新材、航宇科技则覆盖自由锻与辗环等路线。
常见问题
复合材料会完全替代钛合金吗?
从发动机材料构成的历史演变看,钛合金与高温合金的占比确实都被复合材料侵蚀,钛合金受影响更明显。但钛合金在发动机中的整体使用量仍维持在30%左右,说明复合材料更多是挤占部分份额,而非全面替代。
为什么说钛合金既是短期也是长期逻辑?
钛合金主要用于机身结构件与发动机领域,短期市场空间与军机采购节奏相关,中长期则与国产大飞机的成熟进程相关。军用部分相对容易量化,民用部分更接近为未来储备的第二曲线。
判断一家钛合金企业实力该看什么?
可重点看三个环节:是否具备航空级海绵钛的供应与纯度控制能力;熔炼设备是仅配置VAR,还是具备冷床炉等更先进的熔炼手段;锻造环节的工艺覆盖与大型装备配套情况。这三项共同决定了企业能进入的下游层级。