随着航空工业的发展，飞机更新换代的加速，飞机性能不断提高。而新型高效飞机首先要求其材料具有质轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和加工成形性好等良好的综合性能，既要保证飞机机体和发动机零件在受力、高温、腐蚀和其他作用条件下有较强的工作能力，又要使飞机达到高的技术品质。钛及钛合金由于具有密度低、比强度高（优于铝合金和钢）、耐热、抗冲击、耐腐蚀等优异性能，而且与飞机大量使用的复合材料有很好的电化学相容性，因此钛合金为飞机设计者所青睐，在飞机上的用量不断增加。本文主要分析了钛材应用于哪些飞机机体和发动机上，今后全世界会大量生产何种飞机，由此对钛材用量的增加会带来怎样的期待。
一、钛材在飞机上的应用部位
1. 机体
从1970年始航的B747、1995年始航的B777、2011年始航的B787、已完成试航的A350等大型飞机所使用的材料（见图1）可以看出，过去飞机机体中钛合金的用量不多，如20年前B777机体质量的7%为钛合金，而铝合金占到了70%。而现在，钛合金和以碳纤维增强复合材料（CFRP）为主的复合材料的用量不断增加。如B787客机大大减少了铝合金的用量，主要原因是铝合金有以下2个缺点：①CFRP与铝合金直接接触，可能使铝合金发生电偶腐蚀；②铝合金与CFRP的热膨胀系数相差太大。钛的使用可消除上述问题，因此B787客机成倍增加了钛的用量，提高到占机体质量的约15%。表1为波音公司和空客公司主要机型钛材用量。
图1 飞机用各种材料占比
表2列出了到目前为止钛及钛合金在飞机上的使用状况。钛（Ti）-6铝（Al）-4钒（V）合金不仅适合用作飞机很多种的机械部件，也适合用于起落架那样的特殊装置部件。因此飞机机体所使用的钛合金中，Ti-6Al-4V合金的用量最大，占机体结构件用钛合金的80%～90%[8]。Ti-6Al-4V之所以取得这样的实绩，原因是容易入手、容易使用及价格相对便宜等。
2013年全球飞机用钛的采购量为6.5万t，占世界钛加工材供给量的约40%，其中：含军用机、直升机在内的机体用钛量约4.3万t（B787机体用约1.1万t），发动机用约1.8万t，其他约0.4万t。
在波音和空客，钛合金的使用部位主要是高载荷的构架、门框、起落架、发动机支座等，即钛合金集中使用在承受高负荷的部件上。另外波音公司也在考虑钛的新用途，如B737MAX的内壁。尽管钛的优良性能早已被飞机制造商认可，但出于成本的考虑，尽量提高钛的利用率，降低投入量/净质量之比，从而减少钛的采购量。另外，波音公司还在尝试采用廉价的合金等替代钛，如采用新型Al-锂（Li）合金用于翼梁、长桁、腹板等部位。
2 .发动机
表3为喷气发动机用钛的使用场所及时用的合金牌号。可以看出，飞机发动机使用钛合金的主要部件是风扇机身、压缩机机身、圆盘、涡轮、叶片、叶轮、紧固件等。发动机所采用的材料，除了吸进空气的风扇以外，都要求具有良好的耐热性。钛合金的使用温度在600℃以下，可以用作风扇叶片、外壳、盘件以及导向翼（structural guide vane）。普惠公司PW4084发动机的风扇为钛合金，罗罗公司的Trent 800发动机风扇也为钛合金。风扇叶片以及导向翼SGV还必须应对鸟撞击，其措施是在叶片前端装上一个钛套。
钛材在各种飞机发动机上的使用量不是很明确，但为B737开发的PW4084发动机购进了9 t的钛材，使用了1.7 t的钛部件，材料利用率约为19%。这种巨型发动机的风扇叶片等部件都使用了大量钛合金。2013年包括军用机等在内的飞机发动机所需钛材为1.8万t，生产台数约为3 000台，因此每台发动机平均用钛量约为6 t。
全球主要的发动机厂家有4家，分别为美国GE公司、美国P&W公司、法国Safran集团和英国罗罗公司，这4家公司2012年所占份额分别为28%、18%、20%和18%，其他公司为11%。预计2014年新生产发动机3 150台，2015年为3 400台，2016年为3 700台[4]。喷气发动机的需求量与以往相比变化不大，今后面向发动机开发的课题有：①环境友好的清洁发动机；②燃烧效率高，在更高的温度下运行（需开发耐高温材料）；③更轻量化，发展TiAl金属间化合物、CMC （Ceramic Matrix Composite）陶瓷复合材料等；④低成本化，如延长保养点检间隔期，减少部件点检数量（几个部件的焊接等一体化等）。如日本IHI公司正在与美国GE公司合作开发耐约1 400℃高温的B777用GE9X发动机的部件，该部件采用陶瓷基复合材料。随着发动机的高温化进程，今后开发的发动机部件材料将以钛铝合金（TiAl）金属间化合物、碳化硅（SiC）纤维、陶瓷复合材料CMC为中心。
二、飞机产量预测及钛材需求分析
根据日本航空协会对飞机需求情况调查，从2014年开始的20年间全球新制造的民用机预计约为3.2万架，不同席位飞机产量预计见表4。
从表4可以看出，客机产量以100～229席座的大型飞机为多，预计未来20年间这类客机产量达到19 930架，占总需求量的62%。这一级别最具竞争力的机型为B737和A320，这两种客机已成为大多数航空公司的主力机型。表4还给出了至2014年6月末未交付的客机数量，可以看出，未交付的A320系列和B737系列客机各有3 000架以上。C919是中国正在研制的一款大型客机，在2015年的第51届巴黎航展上，平安国际融资租赁有限公司与中国商飞公司签署50架C919大型客机购机意向协议。由此，平安租赁成为国产大飞机C919的第19家客户，C919客机订单数量已达到500架。虽然C919订单数量不断上升，但无论在技术、交付时间还是生产能力等方面都面临不小压力。
超大型客机如A380等，就其产量而言不及大型客机，但它单架客机的用钛量很大，因而钛产业界是很欢迎这种飞机的。就小型客机（席位数≤99）而言，全球主要制造商为加拿大庞巴迪公司和巴西的Embraer航空公司[14-15]。目前日本正在开发MRJ三菱客机，席位数为90，仅限支线近域航行。中国和俄罗斯也在这一领域各自开发自己的产品，竞争相当激烈。这种飞机的钛材使用量不大，估计为10 t左右。
今后对钛应用可期待的是民用机B787、B777、A350、A380等。对于B737、A320这类机型，每架飞机的钛用量不太多，约为12～18 t，但生产数量多，使用钛的总量还是可观的。表5为2013-2016年4种主要客机产量。可以看出，2016年A380客机产量将达到82架，消耗钛材量6 560t，相比2014年增加4 640t。
三、结语
世界钛材消费主要集中在航空工业领域，占比约40%～50%。2011年，全球钛材产量达到14.8万t，其中商用航空用钛材约6.4万t。未来全球经济增长对航空运输的需求量依然巨大，预计未来20年新增飞机需求约在3万架左右。但由于近年来航空业竞争的加剧，飞机机身和发动机厂家正在尽力减少价格较高的钛材用量，并加强了残钛的再利用。另外，CFRP、CMC等复合材料也对钛合金在飞机上的应用构成了极大挑战。好在未来飞机产量不断增加，钛材在飞机上的用量仍会有所增加。全球飞机需钛量按每年增长约4.6%计算，至2023年预计为约10万t。
在美国，飞机和相关领域用钛，通常大约占美国钛市场的55%。俄罗斯拥有世界最大的钛加工材生产厂——VSMPO-AVISMA公司，其70%的钛材用于航空领域。该公司拥有350多个国际生产许可证，可独自进行质量管理和生产检测，并且和48个国家的300余家公司建立了合作关系，可生产波音787、空客A380飞机上使用的全钛起落架。我国已是钛工业大国，2014年钛材产量达到4.966万t，占世界钛材产量的1/3。但我国生产的钛材主要用于化工等领域，飞机用钛仅占约11%。我国于2007年立项的大飞机项目，计划到2020年C919年产量达到150架，按照平均用钛量50 t/架计算，届时每年将新增钛材需求量约1万t。相信该项目的推进，将对我国钛材在航空领域的应用产生较大的推动作用。
更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注国家材料腐蚀与防护科学数据中心http://www.ecorr.org