1、2022 年深度行业分析研究报告 3 目录目录 1 钛及钛合金 . 6 1.1 钛：储量丰富、加工难度大的稀有金属. 6 1.2 钛及钛合金类型 . 7 2 国内钛合金需求：以化工和航空航天应用为主，航空航天需求快速提升 . 8 2.1 飞机机身结构件：军机和民机钛合金用量均持续提升 . 11 2.1.1 机身结构件钛合金应用：用于机翼、起落架、尾翼等重要结构件 . 11 2.1.2 机身结构件钛合金材料：Ti-64 应用最为广泛，向更好的加工性能发展 . 13 2.2 航发结构件：主要用于航发冷端部件，新型钛合金性能提升应用范围不断拓宽 . 13 2.2.1 钛合金主要用于航发冷端部件，用量

2、占比持续提升 . 13 2.2.2 航发钛合金性能要求高，新型钛合金进一步拓展应用范围 . 15 2.3 航天结构件：满足耐高温、耐低温、抗辐射等多种性能要求 . 17 2.4 航空航天紧固件：钛合金是航空航天紧固件主要材料 . 18 2.5 国内航空航天领域钛合金需求有望持续提升 . 19 2.5.1 军机市场需求快速增长，航发需求有望获得更快增速 . 19 2.5.2 国内民机市场空间广阔，需求逐步释放 . 21 2.5.3 导弹是现代战争主要耗材需求有望快速增长，航天发射有望持续维持高位 . 23 2.6 化工领域用钛量较大，近几年用量保持较快增长 . 25 2.7 船舶、电力和海洋工程

3、等领域用钛量有望较快增长 . 26 3 国内钛合金供给：国内钛合金熔炼以 VAR 炉为主，EB 炉熔炼快速发展 . 28 3.1 钛合金熔炼：国内钛合金熔炼以 VAR 炉为主，冷床炉熔炼快速发展 . 28 3.1.1 真空自耗电弧熔炼：钛合金铸锭主要熔炼方式 . 29 3.1.2 冷床炉熔炼：美国冷床炉熔炼世界领先，国内快速发展 . 29 3.2 国内主要钛合金生产企业 . 31 3.2.1 宝钛股份：拥有海绵钛至钛材全产业链生产能力，钛材销量国内领先 . 31 3.2.2 西部超导：国内航空钛合金棒、丝材核心供应商 . 33 3.2.3 西部材料：业务布局稀贵金属材料及制品，西部钛业是钛合金

4、板、管材领先供应商 . 34 3.2.4 湘投金天集团：业务布局“三钛一铝”，国内重要钛材生产基地 . 36 3.2.5 宝武特冶：航发钛材基本覆盖国内发动机型号，拓展应用飞机机体、民用航空等领域 . 37 3.2.6 中船 725 所：船用钛合金供应商，具有海绵钛及钛合金材料制品生产能力 . 38 3.2.7 天成航材：钛合金供应国内国际市场，产能持续提升 . 39 3.2.8 重庆金世利：向国外知名航发企业提供发动机转子级高强钛合金 . 39 3.2.9 云南钛业：钛板卷产能及国内市占率领先 . 40 3.2.10 青聚能钛：钛合金 EB 炉熔炼行业领先 . 40 3.2.11 新疆湘晟：

5、隶属湖南五江轻化集团，覆盖钛矿至钛材全产业链 . 41 4 图表目录图表目录 图表 1： 钛工业产业链 . 6 图表 2： 海绵钛 . 7 图表 3： 海绵钛等级 . 7 图表 4： 2020 年中国海绵钛主要生产企业产量 . 7 图表 5： 钛材分类 . 7 图表 6： 钛及钛合金分类 . 8 图表 7： 钛主要用途和相关性质 . 9 图表 8： 我国钛材分领域用量（2010 年） . 10 图表 9： 我国钛材分领域用量（2020 年） . 10 图表 10： 国内主要企业钛材销量 . 10 图表 11： 国内主要企业航空航天钛材销量 . 10 图表 12： 美国 F-14 战机材料分布

6、. 11 图表 13： 美国战机、轰炸机和运输机材料占比. 12 图表 14： 钛合金在飞机上的用量 . 12 图表 15： F-22 军机上的 TI-64 机翼舱壁 . 13 图表 16： EJ200 军用航发结构示意 . 14 图表 17： 民航发动机中常用材料 . 14 图表 18： 钛合金在 V2500 航空发动机中的应用 . 15 图表 19： 我国航空发动机在役和在研的主要钛合金 . 15 图表 20： 高温钛合金、阻燃钛合金和 TIAL在航发上应用示例 . 16 图表 21： 航发大型复杂铸件示意图 . 17 图表 22： CZ-XX 系列用低温 TA7ELI 钛合金气瓶 . 1

7、8 图表 23： 航空紧固件用钛合金发展 . 19 图表 24： 世界各国战斗机数量占比 . 19 图表 25： 我国歼击机构成 . 19 图表 26： 洛马公司发布 F-35 快报 . 20 图表 27： “太行”航空发动机发展型亮相第十三届珠海航展 . 21 图表 28： 波音、空客主要商飞机身钛消费量. 21 图表 29： 波音、空客主要商飞发动机钛消费量. 21 图表 30： 中国商飞公司产品 . 22 图表 31： ARJ21 和 C919 飞机单机钛用量 . 22 图表 32： CJ1000A 总体结构方案 . 23 图表 33： 近几次主要局部战争美军精确制导武器使用比例 . 2

8、3 图表 34： 近几年中国航天发射次数 . 24 图表 35： “十四五”期间中国航天任务 . 25 图表 36： 国内主要企业化工钛材销量 . 25 图表 37： 采用钛钢复合材料的 PTA 氧化反应器. 26 图表 38： 中国船用钛合金及其具体应用 . 27 图表 39： 天成航材 10 吨 VAR 炉熔炼的 TC4 铸锭 . 29 图表 40： 西部超导钛合金熔炼工艺流程 . 29 图表 41： 聚能钛业公司 EB 炉设备 . 30 图表 42： 云南钛业 EB 炉熔炼 . 30 图表 43： 国内主要钛合金行业上市公司熔炼设备及钛合金销量 . 31 图表 44： 宝钛股份钛材主要应

9、用领域 . 32 图表 45： 宝钛股份近几年营收 . 33 图表 46： 宝钛股份近几年归母净利润 . 33 图表 47： 西北院下属参与钛、钛合金相关业务的公司情况 . 33 5 图表 48： 西部超导产品及应用领域 . 34 图表 49： 西部超导近几年营收 . 34 图表 50： 西部超导近几年归母净利润 . 34 图表 51： 西部材料子公司及 2021 年财务情况 . 35 图表 52： 西部材料近几年营收 . 36 图表 53： 西部材料近几年归母净利润 . 36 图表 54： 湘投金天集团钛产业链 . 36 图表 55： 湘投金天钛金生产工艺流程 . 37 图表 56： 宝武特

10、冶航发及机体结构件用钛合金锻件示例 . 38 图表 57： 天成航材公司发展历程 . 39 图表 58： 重庆金世利 12 吨 VAR 炉 . 40 6 1 钛及钛合金钛及钛合金 1.1 钛钛：储量丰富、加工难度大的稀有金属储量丰富、加工难度大的稀有金属 钛在地壳中的丰度为 0.56%，在所有元素中排第 9 位，储量远高于许多常见的金属，仅次于铁、铝居于第三位。由于钛熔炼技术复杂、加工难度大，钛被归为“稀有”金属。目前，世界上仅美国、俄罗斯、目前，世界上仅美国、俄罗斯、日本、中国四个国家掌握完整的钛工业日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术。生产技术。 有利用价值的钛矿物主要是钛铁矿（Fe

11、TiO3）和金红石（TiO2） 。根据美国地质调查局（USGS） Mineral Commodity Summaries 2022资料显示，截至 2021 年末，全球钛铁矿储量为 7.0 亿吨，占比 93%，金红石储量为 0.49 亿吨，占比 7%。全球钛资源主要分布在澳大利亚、南非、中国、印度和肯尼亚等国。中国钛铁矿储量 2.3 亿吨，占全球总储量的 33%，居世界第一。但是我国的钛资源中钛铁矿多，金红石矿少；贫矿多，富矿少；无单一钛矿，均为多金属共生矿，钙、镁杂质含量高，采选冶炼技术难度大。 钛工业产业链有两条不同的分支钛工业产业链有两条不同的分支，即钛材工业和钛白粉工业，即钛材工业和钛白

12、粉工业。在钛材工业，从钛铁矿和金红石采选开始，制造海绵钛，然后制成各种金属产品，用于航空航天、化工、船舶等领域；在钛白粉工业，从钛铁矿和金红石采选开始，通过化学过程生成化工中间产品钛白粉，用于涂料、塑料和造纸等行业。 图表1： 钛工业产业链 钛铁矿（FeTiO3）金红石（TiO2）人造金红石钛渣四氯化钛（TiCl4）海绵钛钛锭钛材航空航天、舰船兵器、生物医疗、化工冶金、海洋工程、体育生活等钛白粉（TiO2）涂料、塑料、造纸 资料来源：西部超导招股说明书，方正证券研究所 海绵钛为钛材行业基础原材料，但不同的下游运用领域对海绵钛的品质等级要求不同。根据海绵钛国家标准，按钛含量、杂质含量的高低和硬度

13、按等级由高到低，海绵钛可划分为 0A级、0 级、1 级、2 级、3级、4 级、5 级；按粒度大小，一般为 0.83mm-25.4mm，小粒度为0.83mm-12.7mm，细粒度为 0.83mm-5.0mm。 高端钛合金生产原料以高端钛合金生产原料以 0 级海绵钛为主。级海绵钛为主。例如，西部超导采购的海绵钛主要为 0 级和 1 级海绵钛，以 0 级为主，颗粒度为 3mm-12.7mm 的小颗粒，并对相关参数有特殊的内控技术标准。一般的民用钛合金相关企业采购的均为标准规格的海绵钛，西部钛业采购的海绵钛主要为标准规格的 1 级海绵钛和部分 0 级、2 级海绵钛。 7 图表2： 海绵钛 图表3： 海

14、绵钛等级 等级等级 牌号牌号 Ti 含量含量 不小于不小于 布氏硬度布氏硬度 HBW 10/1500/30 不大于不大于 0A级 MHT-95 99.8% 95 0 级 MHT-100 99.7% 100 1 级 MHT-110 99.6% 110 2 级 MHT-125 99.4% 125 3 级 MHT-140 99.3% 140 4 级 MHT-160 99.1% 160 5 级 MHT-200 98.5% 200 资料来源：中国航空新闻网，方正证券研究所 资料来源：GB/T 2524-2019，方正证券研究所 国内海绵钛产量近几年持续增长。2020 年，根据中国有色金属工业协会钛锆铪分

15、会对国内 12 家海绵钛生产企业产量的统计，共生产海绵钛 12.30 万吨，同比增长 44.9%。 图表4： 2020 年中国海绵钛主要生产企业产量 生产企业生产企业 产量产量（吨）（吨） 生产企业生产企业 产量产量（吨）（吨） 攀钢钛业 22768 龙蟒佰利联新立 8870 朝阳金达 16118 宝钛华神 8212 双瑞万基 16000 盛丰钛业 3600 新疆湘晟 15430 鞍山海量 2900 朝阳百盛 13560 锦州铁合金 1700 贵州遵钛 12500 宝鸡力兴 1300 资料来源： 2020年中国钛工业发展报告 ，方正证券研究所 1.2 钛钛及钛及钛合金类型合金类型 海绵钛（或海

16、绵钛加合金元素）经熔炼形成钛铸锭，再经锻造、轧制、挤压等塑性加工方法将铸锭加工成材，即钛材。根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会的数据，2020 年，我国钛材产量达到近 10 万吨，占全球钛材产量的 50%以上。钛材按是否添加合金元素、牌号、形态和用途等有多种分类方法。 图表5： 钛材分类 分类标准分类标准 分类分类 按是否添加合金元素分类 纯钛材和钛合金 按牌号分类 TA/TB/TC+数字 按形态分类 棒材、丝材、管材、板材、异型材等 按用途分类 航空、航天、船舶、兵器、化工用钛材等 资料来源：西部超导招股说明书，方正证券研究所 钛合金是以钛为基加入适量其他元素，调整基体相组成和综合物理化学性

17、能而形成的合金。按相组成钛合金可分为：密排六方结构的 型钛合金（包括近 型合金）即国内牌号 TA，体心立方结构的 型钛合金（包括近 型合金）即国内牌号为 TB，两相混合的 + 型钛合金即国内牌号 TC。 型和近 型钛合金具有良好的蠕变、持久性能和焊接性，适合于在高温环境下使用。 型和近 型钛合金在室温至 300左右具有高的 8 拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和耐热稳定性急剧下降。+ 型钛合金不仅具有良好的热加工性能，而且在中高温环境下还具有良好的综合性能。 图表6： 钛及钛合金分类 分类分类 牌号牌号 特性特性 示例示例 纯钛 TA 商业纯钛是低到中等强度金属，不适用于飞机机身及航

18、发 TA0、TA1、TA2、TA3 型钛合金 TA 良好的蠕变、持久性能和焊接性，适合于在高温环境下使用适合于在高温环境下使用 TA7、TA8 近 型钛合金 + 型钛合金 TC 具有良好的热加工性能，在中高温环境下在中高温环境下具有良好的综合性能具有良好的综合性能 TC4、TC6、TC11、TC17、TC19、TC21 型钛合金 TB 在室温至 300左右具有高的拉伸强度，但在更高的温度下，合金的蠕变抗力和耐热稳定性急剧下降 TB1、TB2、TB3、TB8 近 型钛合金 资料来源： 航空用钛合金研究进展 ， Introduction to Aerospace Materials ，方正证券研究

19、所 2 国内国内钛合金需求钛合金需求：以化工和航空航天应用为主，航空航天以化工和航空航天应用为主，航空航天需求快速提升需求快速提升 钛具有密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好、耐腐蚀能力强等突出特点，最早被应用于航空航天等高科技领域，现在其应用领域已向化工、石油、电力、海水淡化、建筑、日常生活用具等领域拓展，被誉为“现代金属” 、 “战略金属” 。 9 图表7： 钛主要用途和相关性质 应用领域应用领域 用途用途 利用性质利用性质 示意图示意图 航空 飞机框梁、起落架、紧固件等；发动机的风扇、压气机盘件和叶片等转动件 质量轻、比强度高、耐高温低温、耐腐蚀 航天 火箭发动机和人造卫星壳体

20、、 燃料箱、压力容器、载人宇宙飞船船舱等 质量轻、比强度高、耐高温低温、耐腐蚀 舰船 潜艇耐压壳体、螺旋桨、喷水推进器、海水换热系统、舰船泵、阀及管路等 耐腐蚀、比强度高 兵器 坦克和装甲车的装甲材料、榴炮弹零部件、反坦克导弹舱机和架体、迫击炮底座和支架等 质量轻、比强度高、耐腐蚀 化工冶金 用于氯碱、纯碱、塑料、石油化工、冶金、制盐等工业的电解槽、反应器、蒸馏塔、浓缩器、分离器、热交换器、管道、电级等 耐腐蚀、耐高温低温 海洋工程 海水淡化用管道、 海洋石油钻探用泵、阀、管件等 耐腐蚀、比强度高 生物医疗 人工关节、人工植牙和正牙、心脏起搏器、心血管支架、手术器械等 生物相容性好、耐腐蚀、无

21、磁性、形状记忆功能 生活用品 眼镜架、手表、拐杖、钓鱼竿、厨具、数码产品壳体、工艺品、装饰品等 质量轻、比强度高、耐腐蚀 体育器材 高尔夫球头、网球拍、羽毛球拍、台球杆、登山棍、滑雪杖、冰刀等 质量轻、比强度高、耐腐蚀 资料来源：西部超导招股说明书，方正证券研究所 10 我国钛材使用以化工领域为主。我国钛材使用以化工领域为主。根据中国有色金属工业协会钛锆铪分会的统计，国内主要钛材生产企业在化工领域的销量占总销量比例为50%左右。近几年，国内航空航天领域钛材需求量快速增长，国内主要钛材生产企业在航空航天领域的销量占比由 2010 年的 9.7%提升至2020 年的 18.4%。 图表8： 我国钛

22、材分领域用量（2010 年） 图表9： 我国钛材分领域用量（2020 年） 化工 53.2%航空航天 9.7%船舶 1.7%冶金 6.7%电力 3.9%医药 2.9%制盐 6.1%海洋工程 2.1%体育休闲 7.8%其他 5.9% 化工 50.8%航空航天18.4%船舶 2.9%冶金 1.4%电力 5.0%医药 2.7%制盐 1.3%海洋工程 7.7%体育休闲 3.5%其他 6.3% 资料来源： 2010年中国钛工业发展报告 ，方正证券研究所 注：数据源为国内33家钛材生产企业分领域销量 资料来源： 2020年中国钛工业发展报告 ，方正证券研究所 注：数据源为国内32家钛材生产企业分领域销量

23、国内航空航天领域钛材国内航空航天领域钛材销量保持快速增长。销量保持快速增长。 2020 年， 国内主要钛材生产企业在航空航天领域合计销量约 17228 吨，同比增长 36.73%，较2010 年 3603 吨的销量复合增长率为 16.94%。 图表10： 国内主要企业钛材销量 图表11： 国内主要企业航空航天钛材销量 33.30%1.90%-18.00%7.75%-1.69%1.00%24.85%4.19%19.86%35.94%-20%-10%0%10%20%30%40%024680001820192020钛材销量（万吨）钛材

24、销量（万吨）同比增长同比增长 13.24%4.44%9.50%4.18%41.16%24.15%5.48%14.57%22.39%36.73%0%10%20%30%40%50%0.00.40.81.21.62.020000192020航空航天钛材销量（万吨）航空航天钛材销量（万吨）同比增长同比增长 资料来源：中国有色金属工业协会钛锆铪分会，方正证券研究所 资料来源：中国有色金属工业协会钛锆铪分会，方正证券研究所 航空钛合金主要应用于飞机结构件、航空钛合金主要应用于飞机结构件、 航空航空发动机结构件以及航空紧固发动机结构件以及航空

25、紧固件等。件等。飞机结构钛合金使用温度要求一般为 350以下，要求其具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等，主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化和抗蠕变性能良好，主要应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。 航空紧固件用钛合金要求具有较好的加工性、 无磁性、耐腐蚀性等，主要包括钛合金铆钉、钛合金螺栓等。 11 2.1 飞机飞机机身机身结构件结构件：军机和民机钛合金用量均持续提升：军机和民机钛合金用量均持续提升 2.1.1 机身结构件钛合金应用机身结构件钛合金应用：用于用于机翼

26、机翼、起落架、尾翼等重要结构、起落架、尾翼等重要结构件件 钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽（-269-600）等优异性能，且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工，在航空领域很快得到广泛应用。20 世纪 50 年代初，军机开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等受力较小的结构件。20 世纪 60 年代，钛合金进一步应用到飞机襟翼滑轨、承力隔框、中翼盒形梁、起落架梁等主要受力结构件中。 以美国 F14 战机为例，钛合金占 F14 战斗机结构重量的 26%，使用钛制成的组件包括机翼结构、 起落架部件、 尾部结构， 以及小型紧固件、弹簧和液压管等。 图表1

27、2： 美国 F-14 战机材料分布 资料来源： Introduction to Aerospace Materials ，方正证券研究所 采用钛合金作机身材料有多方面优势：1）替代钢和镍基高温合金可大大降低飞机质量；2）能够满足飞机强度要求，与铝合金相比，60%左右质量的钛合金即可达到相同的强度。3）耐腐蚀性良好，钛合金不需要表面防腐涂层或者镀膜。4）与聚合物复合材料电化学相容性好。5）限制空间内满足强度要求，例如，波音 747 的钛合金起落架梁。 军用飞机方面，国外军用飞机方面，国外先进战先进战机用钛量占机体结构总质量的机用钛量占机体结构总质量的 25%左右左右。美国 F-35 战机钛用量达

28、 27%，F-22 战机钛用量高达 41%，其机身主承力梁和框架采用钛合金整体锻造而成，创造了迄今为止战斗机钛用量的最高纪录。美国 B1 轰炸机和 B2 轰炸机钛合金用量分别为 21%和 26%。美国运输机用钛量也由早期服役的 C5 的 6%增至 C17 的10.3%，俄罗斯伊尔 76 运输机用钛量更是达到了 12%。 12 图表13： 美国战机、轰炸机和运输机材料占比 机型机型 服役服役 时间时间 材料质量分数（材料质量分数（%） 钛合金钛合金 复合材料复合材料 铝合金铝合金 钢钢 F16 1978 2 3 83 5 F17Y 7 8 73 10 F/A18A/B 1980 12 9.5 5

29、0 15 F/A18C/D 1986 13 10 50 16 F/A18E/F 2002 15 23 29 14 F/A22 2005 41 24 15 5 F35 2008 27 36 B1 1986 21 29 41 9 B2 1991 26 38 19 6 C5 1970 6 C17 1992 10.3 8.1 69.3 12.3 资料来源： 航空用钛合金研究进展 ，方正证券研究所 民航飞机方面，由于复合材料的大量使用，与复合材料相容性更好的钛合金用量也在逐步增长。 空客飞机钛用量从第三代 A320 的 4.5增至第四代 A340 的 6，A380 的用钛量增加到了 10，而 A350

30、客机的钛用量进一步提高到 14左右； 波音飞机用钛量从最初波音 707 的0.5逐渐增至波音 747 的 4%，再到波音 777 的 7，波音 787 的用钛量已提高到 15%左右，基本与空客飞机保持同步。俄罗斯的新型客机 MS21 钛合金用量占比高达 25%，是目前民用运输机钛用量的最高纪录。 图表14： 钛合金在飞机上的用量 资料来源： 钛合金及钛基复合材料在航空航天的应用和发展 ，方正证券研究所 国内方面， 军用歼击机从初始用钛量只有 2%的歼 8， 逐渐增加至用钛量为 4%的歼 10，歼 11 用钛量增加到 15%，歼 20 用钛量达 20%。大型军用运输机运 20 的钛合金用量为 1

31、0%，与美国先进的 C-17 运输机的钛合金用量相当。 民用飞机上， 商用客机ARJ21的钛合金用量4.8%，而 C919 大型客机广泛采用钛合金，其用钛量已达到 9.3%，主要用于机头、吊挂、尾翼、外翼和中央翼盒等。 13 2.1.2 机身结构件钛合金材料机身结构件钛合金材料：Ti-64 应用最为广泛，向更好的加工应用最为广泛，向更好的加工性能发展性能发展 目前，在航空领域使用的钛合金材料主要有 TC4（美 Ti-64 合金） 、TC18、TC21、TA15、TB6（美 Ti-1023 合金）等。 Ti-64 钛合金是最早问世同时也是最经典的钛合金，其设计使用温度最高可达 350。Ti-64

32、 不仅具有耐高温性，还具有十分优良的塑性加工性能，在航空航天领域广泛应用。 图表15： F-22 军机上的 Ti-64 机翼舱壁 资料来源： Titanium and its alloys ，方正证券研究所 TC18 具有较大淬透性，适合制造大型锻件。俄罗斯根据波音和空客等民机需求，在 TC18 合金基础上开发了 Ti-55531 钛合金。Ti-55531强度较高，而且具有优越的淬透性和更宽的加工窗口，已在 A380 飞机吊挂接头和起落架支柱等零件上使用。 铸造钛合金方面，航空领域应用范围最广、用量最多的铸造钛合金是ZTC4 钛合金。我国研制和生产的钛合金铸件中，ZTC4 和 ZTA15 合金

33、用量占 80%。此外，国内常用的铸造钛合金还有 ZTC3 和 ZTC6。ZTC3、 ZTC6 和 ZTA15 是航材院根据航空工业发展需求研制或仿制的高温铸造钛合金和高强铸造钛合金，在减轻飞机整体结构重量、满足高温和高载以及腐蚀环境要求、提高机体寿命等方面发挥重要作用。 2.2 航发结构件航发结构件：主要用于航发冷端部件，新型钛合金性能提升应用：主要用于航发冷端部件，新型钛合金性能提升应用范围不断拓宽范围不断拓宽 2.2.1 钛合金主要用于航发冷端部件，用量钛合金主要用于航发冷端部件，用量占比占比持续提升持续提升 钛合金的使用钛合金的使用是是军用军用航发提高推重比的关键。航发提高推重比的关键。

34、推重比是航空发动机的重要性能指标，最早航发推送比为 23，四代航发推重比超过 10。钛在 300650温度下具有良好的抗高温强度、 抗蠕变性和抗氧化性能，且质量轻、比强度高，使用钛合金代替原镍基高温合金可使航空发动机重量降低，提高航发推重比。 军用航发方面， 钛合金一般用于航空发动机的风扇、 高压压气机盘件、叶片等转动部件和燃烧室、尾喷管等静止件。在国外先进航空发动机中，钛合金用量已占发动机总质量的 25%40%，第 3 代航发 F100 的钛合金用量达 25%，第 4 代航发 F119 的钛合金用量达 40%。 14 图表16： EJ200 军用航发结构示意 高压压气机燃烧室低压涡轮风扇（低

35、压压气机）高压涡轮加力燃烧室可调喷口 资料来源：EUROJET官网，方正证券研究所 民用航空发动机方面，钛合金同样用于风扇、压气机盘件、叶片等部件。以 V2500 航空发动机为例，其钛合金用量达 31%，钛合金零件主要集中于发动机前部及外部工作温度较低的位置，从高压压气机后几级开始，温度和压力明显升高，钛合金零件使用较少。钛合金零件使用范围涵盖机匣、转子毂、转子叶片、静子叶片、轴承支撑、管路、支架等诸多零件，零件总价超过 750 万美元，相比 V2500 新发价格约1500 万美元，价值占比约 50%。 图表17： 民航发动机中常用材料 资料来源： A Review on Superalloy

36、s and IN718 Nickel-Based INCONEL Superalloy ，方正证券研究所 15 图表18： 钛合金在 V2500 航空发动机中的应用 航航发部件发部件 钛合金应用钛合金应用 风扇 大部分零件均由钛合金制造，包括风扇机匣、风扇框架、风扇叶片、风扇叶片前后保持环、风扇毂等 低压压气机 大部分零件均由钛合金制造，包括低压转子中心轴、低压压气机 1.52.5 转子毂、低压压气机 1.52.5 级静子、低压压气机 1.52.5 级转叶等 高压压气机 高压压气机单元体分为 312 级，其中 38 级转子及可调静子叶片均为钛合金，包括 38 级毂、38 级转子叶片、高压压气机

37、前机匣、可调静子叶片等 外部件 航发外部的管路、支架、放气活门、冷却涵管等零件工作温度较低且质量体积较大，为减轻发动机重量，这些零件均由钛合金制造。 资料来源： 钛合金在V2500发动机中的应用 ，方正证券研究所 2.2.2 航发航发钛合金性能要求高钛合金性能要求高，新型钛合金进一步拓展应用范围，新型钛合金进一步拓展应用范围 在航空发动机上应用钛合金，要求其在较高的温度范围内具有很好的瞬时强度、耐热性能、持久强度、高温蠕变抗力和组织稳定性等。型、近 型和 + 型钛合金在中高温环境下具有良好的综合性能，被广泛应用于航空发动机。 现役航空发动机上使用的钛合金主要有现役航空发动机上使用的钛合金主要有

38、 TC4、TC11、TC17 和和 TA11等，用于发动机风扇和压气机低温段工作的叶片、盘、机匣等零件。等，用于发动机风扇和压气机低温段工作的叶片、盘、机匣等零件。 TC4 具有良好的塑性加工性能，TC17 是一种高强、高韧和高淬透性的两相钛合金，由于使用温度不高，广泛应用于制造航空发动机风扇叶片和压气机盘件等低温部件。 TC25 钛合金是前苏联研制的一种热强钛合金（俄牌号 BT25） ，该合金含有钼、钨等高熔点元素，热强性、耐热性好，使用温度达 550，使用寿命达 3000h，主要用于制造航空发动机高压压气机盘盘件。 图表19： 我国航空发动机在役和在研的主要钛合金 长期工作温度（长期工作温

39、度（） 钛合金钛合金 400 TC4，TC17，TC19 450 TC6，TA11 500 TC11，TA7，TA15，TB12 550 TA19，TA32，TC25，TF550 600 TA29，TA33 700 TD3，Ti2AlNb 700-850 TiAl 600-800 SiCf /Ti composite 资料来源： 航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展 ，方正证券研究所 注：TB12和TF550为阻燃钛合金 随着先进航发对高性能随着先进航发对高性能钛合金的迫切需求，钛合金的迫切需求，600高温钛合金、阻燃高温钛合金、阻燃钛合金、钛合金、TiAl 和和 SiCfTi 复合材

40、料成为新型高温钛合金的发展重点。复合材料成为新型高温钛合金的发展重点。600高温钛合金适用于工作温度为 500-600的高压压气机整体叶盘、机匣等；阻燃钛合金适用于高压压气机机匣、叶片等；TiAl 合 16 金适用于工作温度在 700-850的高压压气机叶片、涡轮叶片等；SiCfTi 钛基复合材料适用于高压压气机整体叶环。 TA29 钛合金在 620仍具有良好的蠕变抗力， 在其他性能满足设计要求时，可延伸至 620左右长期使用。此外，TA29 钛合金在750-800仍能保持较高的抗拉强度， 可在此温度区间短时使用， 应用于超高声速导弹、火箭、飞行器、空天飞机等装备的机体构件、蒙皮，以及所用发动

41、机的高温部件。TA29 钛合金已实现从 3t 型工业铸锭熔炼、300mm 大规格棒材制备、大尺寸整体叶盘锻件制备到整体叶盘零件机加工、检测检验、表面处理等全程制造。 TB12 和 TF550 是阻燃钛合金，阻燃钛合金是我国新型钛合金的发展方向之一。在航空发动机旋转部件上，由于钛合金具有易燃倾向，因而在钛合金制件表面添加防钛火涂层或采用阻燃钛合金，P&W 研制的 Alloy-C（Ti-35V-15Cr）高稳定性阻燃 型钛合金，已用于 F-22 战斗机的 F119 发动机用压气机挡板、增压器及喷嘴等部件。国内以美国 Alloy-C 合金的成分为基础，研制了能在 500长期使用的 TB12和在 55

42、0长期使用的 TF550。 TiAl 合金兼具金属和陶瓷的性能，在 600-800，TiAl 合金比强度优于常规钛合金，且具有良好的抗蠕变、抗氧化等性能。GE 公司为波音 787 研制的 GEnx 发动机低压涡轮第 6、7 级叶片采用铸造 TiAl合金叶片取代镍基高温合金叶片，实现减重 72.5kg。2014 年，Mecachrome 公司与法国 Snecma 公司签订 TiAl 合金供货协议，Mecachrome 将向 CFM 公司提供用于制造 LEAP 系列发动机的 TiAl合金低压涡轮转子叶片。 图表20： 高温钛合金、阻燃钛合金和 TiAl 在航发上应用示例 TA29 钛合金整体叶盘

43、TB12 阻燃钛合金压气机机匣锻件 TiAl 等轴晶叶片 资料来源： 航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展 ， 航空铸造钛合金及其成型技术发展 ，方正证券研究所 除了航发锻件，钛合金精密铸件在航空发动机除了航发锻件，钛合金精密铸件在航空发动机上也有广泛应用。上也有广泛应用。钛合金铸件具有制造成本低、周期短、原材料利用率高等优势，可制造各种大型复杂整体零部件。例如，20 世纪 90 年代初，我国航空发动机的钛合金机匣采用分体铸造再焊接成整体部件方式生产，在使用过程中由于机匣焊接量大，部件刚性差，易产生疲劳裂纹，部件可靠性和寿命下降， 难以实现全寿命使用。 随着航空发动机性能要求不断提升，

44、需采用结构刚性更好、更为可靠的整体铸件。国内从 20 世纪 90 年代起开展大型钛合金铸件的研制工作，整体铸造的中介机匣率先在XX10 发动机上使用。 17 图表21： 航发大型复杂铸件示意图 资料来源： 大型复杂钛合金铸件熔模精密铸造技术 ，方正证券研究所 大部分铸造钛合金基本上沿用了变形钛合金的成分。ZTC4 铸造钛合金使用最为成熟和广泛，随着航空领域对结构件的断裂韧性要求越来越高，ZTC4 等中强度钛合金已无法满足要求，高强度铸造钛合金越来越受到重视，例如 Ti-15-3、Ti-10-2-3、Ti6-22-22S、Beta-C、8-21S、BT35 等高强度铸造钛合金。 2.3 航天结构

45、件航天结构件：满足耐高温、耐低温、抗辐射等多种性能要求：满足耐高温、耐低温、抗辐射等多种性能要求 在导弹武器系统中，为了减轻发射重量、增加射程以及提高结构件使在导弹武器系统中，为了减轻发射重量、增加射程以及提高结构件使用温度，也开始大量使用钛合用温度，也开始大量使用钛合金材料替代传统的结构钢、铝合金等材金材料替代传统的结构钢、铝合金等材料。料。例如，新一代的巡航导弹飞行速度由过去的 0.8 马赫提高到 3.5马赫甚至更高，导弹的表面温度达到 300-650，传统铝合金材料制造的隔框、蒙皮、油箱等无法满足要求，必须使用钛合金材料制造这些导弹部件。此外，巡航导弹使用的涡喷发动机动力系统也大量使用钛

46、合金材料制造其结构部件，包括压气机机匣、压气机盘、压气机叶片等部件。 随着舰艇防护装甲能力的不断提升与建造结构的不断优化改进，其对于反舰弹道的对抗能力不断提升，为了进一步提升反舰导弹对舰艇的杀伤威力，反舰导弹战斗部类型趋向于半穿甲型的方向发展。半穿甲型战斗部需要在保证弹体强度的前提下穿透数层船板，壳体大都采用较厚的高强高韧合金材料制造，其装填系数在 20%40%。一般来说，硬侵彻型半穿甲战斗部的壳体由结构钢材料制成，近年来为了减轻整弹质量、增加战斗部装药量、加强毁伤能力以及满足超音速飞行带来的高温效应等，一些先进的导弹战斗部开始使用钛合金材料制造，如美国的“斯拉姆”AGM-84H、 “战斧”等

47、。俄罗斯经验表明，半穿甲战斗部壳体改用高强度、高韧性、密度相对较低的钛合金材料后，装填系数可提高到 50%，战斗部的毁伤威力显著提高。 在在火箭及空间飞行器方面火箭及空间飞行器方面，钛合金的主要应用是火箭发动机壳体、火钛合金的主要应用是火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管箭喷嘴导管及宇宙飞船的船舱或者燃料和氧化剂储存箱及其他高压及宇宙飞船的船舱或者燃料和氧化剂储存箱及其他高压容器。容器。对于航天飞行器来说，除满足航空用钛合金使用性能要求外，还必须具有耐高温、耐低温、抗辐射等性能。目前，钛合金已成为航天领域不可或缺的关键材料，在运载火箭中质量占比达 5%-30%。美 18 国“阿波罗”飞船的 50 个压

48、力容器约 85%采用钛制成；日本第一颗试验卫星“大角”号采用了 Ti-2Al-2Mn 钛合金；俄罗斯在“能源-暴风雪”号、 “和平-1”号、 “进步”号、 “金星”号、 “月球”号航天器上也广泛使用了钛合金材料。 根据航天产品对于材料的需求，钛合金在航天领域形成了不同的发展方向，主要包括高强韧钛合金、高温钛合金、低温钛合金、铸造钛合金和粉末钛合金等。我国利用钛合金 TA7ELI 在低温下具有更高的强度、更好的塑性和韧性的特点，研制出在液氢环境下使用的 20L 低温TA7ELI 钛合金气瓶，该气瓶用于 CZ-XX 系列运载火箭。 图表22： CZ-XX 系列用低温 TA7ELI 钛合金气瓶 资料

49、来源： 钛合金在航天飞行器上的应用和发展 ，方正证券研究所 2.4 航空航天紧固件航空航天紧固件：钛合金是航空航天紧固件主要材料：钛合金是航空航天紧固件主要材料 紧固件是实现连接功能的基本紧固件是实现连接功能的基本零件，在航空领域广泛使用。零件，在航空领域广泛使用。紧固件包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、销、铆钉等，在飞机上用量极大，一架飞机所用的紧固件及弹性元件少则几十万件，多则几百万件。例如，俄罗斯伊尔-96 飞机单架飞机使用紧固件达 14.2 万件，单架空客A380 使用紧固件超过 100 万件。 高减重、耐腐蚀、无磁性、与复合材料相容性好的钛合金逐渐成为先高减重、耐腐蚀、无磁性、与复合

50、材料相容性好的钛合金逐渐成为先进飞机紧固件材料的首要选择进飞机紧固件材料的首要选择。随着飞机先进性的提高，对紧固件材料的要求越来越高。钛合金用作航空紧固件有多种优势：1）减重效果好；2）耐腐蚀性能好，尤其是钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，适合复合材料连接；3）耐高温低温性能好；4）钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。 美国美国 F-16、F-18、F-35、F-22、C-17 等军等军机机广泛采用钛合金紧固件广泛采用钛合金紧固件。F-15 战斗机用钛合金紧固件占全机紧固件的 73%，C-17 大型军用运输机使用了 42.3 万个钛合金销钉和 24.1 万个钛合金