切断俄罗斯钛合金供应后，波音空客排单挤到三年后，到底卡在哪？

现在波音和空客的飞机订单已经积压了超过一万四千架，很多热销机型的排单直接排到了三年乃至五年之后。

造不出飞机的一个重要原因，居然是一种在地壳里极其常见的金属——钛。

全球钛矿资源的探明储量有几亿吨，但是做成航天级钛合金却极其困难，甚至出现了一料难求的情况。

这篇文章就专门讲讲，为什么地里不缺的钛矿，变成了限制全球航空业复苏的关键难题。

一、

我们先来看一组基础数据。

钛在地球地壳里的含量排在第四位，仅次于铝、铁和镁。

按照美国地质调查局公布的数据，全球探明的钛铁矿和金红石储量折合二氧化钛超过了七亿五千吨，如果算上潜在的资源总量，更是在二十亿吨以上。

从自然界里的矿石储备来看，钛绝对称不上是稀有金属。

但是，从地里的钛矿变成能够飞上天的航天级钛合金零部件，中间要经过非常复杂的工序，整体的产出效率非常低。

钛矿在开采出来之后，首先需要经过化学反应提炼成海绵钛。

目前全球海绵钛的年产量，大概维持在三十万吨到四十万吨之间。

海绵钛根据纯度和内部杂质含量的不同，被划分成很多不同的等级。

市场上绝大部分海绵钛只能用来制造民用化工设备、建筑材料或者普通消费品，这一类中低端海绵钛在市场上的产能实际上是过剩的。

但是用来制造飞机机身和航空发动机的高品级海绵钛，也就是转子级或者航空级海绵钛，对碳、氮、氧、氢以及微量金属杂质的控制要求到了极其严格的水平。

这一类高品级海绵钛的产量在总产量里的占比非常小。

除了原材料品级要求极高之外，钛合金在后期的切削加工过程中，材料损耗也非常惊人。

在航空制造领域有一个指标叫做材料利用率，指的是采购进来的钛合金原材料重量与最终装配到飞机上的成品零部件重量的比值。

在航空钛合金零部件的加工过程中，这个比值通常在十比一到二十比一之间。

这就意味着，工厂采购进来十公斤甚至二十公斤的航天级钛合金原料，经过长时间精细的切削和刨削加工之后，最后留在飞机上的成品零件重量可能只有一公斤，剩下的八成到九成材料全部变成了废料切屑。

这就导致制造同样重量的飞机零部件，需要消耗成倍的高纯度钛合金原料。在冶炼环节，航天级钛合金的技术要求非常严苛。

航空发动机和飞机的主承重结构对材料内部的缺陷要求是零容忍。

如果钛合金内部残存极其微小的低密度杂质或者高密度杂质，在飞机高空飞行和剧烈震动的情况下，就会在杂质位置产生应力集中，进而引发裂纹，直接导致结构件断裂。

为了彻底消除这些内部缺陷，航天级钛锭必须采用三次甚至四次真空自耗电弧炉重熔，或者采用电子束冷床炉进行冶炼。

这种冶炼设备的造价非常昂贵，整个控制过程的技术要求也非常高。冶炼成钛锭之后，还需要经过大型锻造设备进行热加工。

比如制造飞机的大型起落架或者机翼整体隔框，必须使用几万吨级的模锻液压机，并且要严格控制锻造过程中的温度和变形速率。

如果温度控制偏差超出范围，钛合金内部的晶粒就会粗化，整个零部件就会直接报废。

即使企业制造出了合格的钛合金产品，想要卖给波音或者空客，还需要经过长达五年到十年的适航认证流程。

所有这些技术门槛和时间成本叠加在一起，直接限制了航天级钛合金产能的快速扩充。

二、

除了技术和加工层面的困难，地缘政治环境的变化也给全球航天级钛合金的供应带来了巨大冲击。

在过去的全球航空供应链里，俄罗斯占据了极其重要的位置。

俄罗斯的阿维斯玛公司，是全球最大的航空钛合金一体化生产企业。

在2022年以前，波音公司生产飞机所使用的钛合金材料里面，有大约百分之三十五来自阿维斯玛公司。

而空客公司的依赖程度更高，其使用的钛合金材料有大约百分之五十到百分之六十五来自俄罗斯。

相关事件发生之后，西方航空企业开始尝试切断与俄罗斯钛合金供应商的合作。

波音公司率先宣布暂停采购俄罗斯的钛合金，转而寻求美国和日本的钛材企业扩大供应。

但是美国和日本的相关企业本身产能有限，短期内根本无法新建起足够的冶炼和锻造生产线。

空客公司则因为对俄罗斯钛合金的依赖度过高，一再反对将钛合金纳入限制范围，甚至在2024年还在向有关国家申请进口豁免。

俄罗斯钛合金退出西方供应链后，全球航空级钛材出现了近四成的供给缺口，导致欧美飞机制造厂的钛零部件交货时间成倍延长。

与供应链断裂同时发生的，还有新一代客机对钛合金需求量的暴增。最近十多年来，波音787、空客A350以及中国商飞的C919等新一代商用客机，为了降低车身重量和减少油耗，大量使用了碳纤维复合材料。

波音787的复合材料使用比例达到了百分之五十，空客A350达到了百分之五十三，C919也达到了百分之十二。

复合材料的大量使用，直接拉动了钛合金的需求。

因为传统铝合金如果直接与碳纤维复合材料接触，两种材料之间会产生强烈的电化学腐蚀，并且两者的热膨胀系数相差很大，在高温或者低温环境下容易发生变形和松动。

而钛合金与碳纤维复合材料，具有良好的化学兼容性和相近的热膨胀系数，因此只要飞机上使用了大量的碳纤维复合材料，就必须同步使用大量的钛合金来制作连接件、紧固件和主承重结构。

相关数据显示，波音787机体结构中的含钛量，达到了百分之十五左右，空客A350达到了百分之十四，C919的机体含钛量也达到了百分之九点三。

除了机身结构，在航空发动机领域，钛合金的使用比例更高。

像用于A320neo和C919的LEAP发动机，以及用于大型客机上的GE90发动机，钛合金占发动机总重量的比例达到了百分之二十五到百分之三十，主要用来制造风扇叶片、压气机盘和发动机机壳。

新一代机型订单的增长，叠加单架飞机用钛量的提升，让本就紧张的航空钛材市场更加供不应求。

三、

面对全球航天级钛合金紧缺的局面，整个航空工业界正在从技术改进和产能重构两个方向寻找出路。

在技术改进方面，企业正在大力推广电子束冷床炉残料回收技术，将切削加工过程中产生的大量钛合金废料，重新熔炼成合格的钛锭，以此提高钛资源的综合利用率。

同时，金属三维打印技术也在航空制造领域快速推广，通过增材制造直接打印出结构复杂的钛合金零部件，把材料利用率提升数倍，大幅减少对上游高纯度钛锭的消耗。

在产能补充和供应链重构方面，中国钛工业的发展为缓解全球航空钛材紧缺提供了重要力量。

中国拥有丰富的钛矿资源，并且拥有完整的钛工业体系。

近年来，以宝钛股份、西部超导为代表的中国企业，在高纯度海绵钛提纯、万吨级锻造以及真空自耗电弧炉冶炼等核心技术领域，取得了突破。

中国企业建成了多条上万吨级的高端航空钛合金生产线，掌握了三次真空自耗电耗重熔和电子束冷床炉冶炼技术，能够稳定批量生产转子级海绵钛和航空级钛合金棒材、板材及锻件。

这些国产钛合金产品不仅满足了国内航空航天装备的制造需求，也开始逐步进入国际民用航空供应链体系。

随着国产大飞机C919迈入批量生产阶段，中国航空钛合金的适航验证工作也在加速推进。

过去由少数欧美企业垄断的航空材料认证流程正在被打破，越来越多的国产钛合金材料，通过了严格的疲劳性能测试和环境适应性测试，成功应用在C919的发动机挂架、机翼前缘和机头结构件上。

从长远来看，全球钛资源储量巨大的基础并没有改变。

过去因为技术垄断、设备昂贵以及认证周期长所导致的高端钛材供给限制，正在被新的冶炼产能和制造工艺逐步破解。

波音、空客以及全球航空供应链对俄罗斯单一钛源的过度依赖正在被分散，一个由多国参与、产能更加平稳的航天级钛合金供应体系正在形成。

航空制造领域的材料短缺问题，最终将随着高端制造产能的释放而得到缓解。