民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)通常采用鈦合金以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當(dāng)代先進(jìn)的民用飛機(jī)普遍提高了鈦合金的用量。從鈦合金的特點(diǎn)及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)出發(fā)，介紹了鈦合金在先進(jìn)民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀并分析原因，總結(jié)并提出了鈦合金在民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，為我國(guó)民用飛機(jī)的研發(fā)和發(fā)展提供參考和借鑒。

0、引言

鈦合金以其高比強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著先進(jìn)復(fù)合材料在民用飛機(jī)上用量的逐漸增加，鈦合金與復(fù)合材料相容性好的特點(diǎn)使其具有了更大的優(yōu)勢(shì)，其在民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的用量也在不斷提高。以B787和A350為代表的最新一代民用飛機(jī)，鈦合金用量分別達(dá)到15%和14%，充分體現(xiàn)了鈦合金在現(xiàn)代民用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要性和不可替代性。

我國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)起點(diǎn)較低、發(fā)展較慢，鈦合金在機(jī)體上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步提高。為提升我國(guó)民用飛機(jī)上鈦合金的使用量，發(fā)揮鈦合金的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高飛機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)減重和優(yōu)化，本文對(duì)鈦合金的性能特點(diǎn)、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及其在現(xiàn)代先進(jìn)民用飛機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析和研究，總結(jié)鈦合金應(yīng)用的機(jī)遇和面臨的挑戰(zhàn)，為我國(guó)民用飛機(jī)的研制和發(fā)展提供參考和借鑒，具有較高的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1、鈦合金的主要性能特點(diǎn)

鈦合金是一種重量輕、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，比強(qiáng)度高；具有較高的熔點(diǎn)，約為1 690°C；彈性模量相對(duì)較低，可以通過(guò)合金化和熱處理獲取更高的強(qiáng)度性能；具有很高的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性；很好的高溫性能；熱性能好，熱膨脹系數(shù)比鋼低，比鋁合金的50%還低，熱傳導(dǎo)率低；無(wú)磁性。高溫時(shí)，與其他材料具有很好的化學(xué)相容性；優(yōu)越的耐腐蝕和抗氧化能力，能夠降低飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

制約鈦合金應(yīng)用的主要問(wèn)題是其密度比鋁合金大、成本也相對(duì)較高（大約是鋁或鋼的7倍）。

2、鈦合金的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

民用飛機(jī)上大量應(yīng)用鈦合金的一個(gè)重要推動(dòng)力是結(jié)構(gòu)減重，減重效果直接決定飛機(jī)綜合成本的高低。鈦合金比同等強(qiáng)度的鋼的密度低40%，用鈦合金代替鋼和鎳基合金甚至高強(qiáng)度鋼時(shí)，能夠大量減重。例如，在某些情況，用鈦合金Ti－6Al－4V代替鋼用于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤(pán)及葉片等可減重30%；用Ti－10V－2Fe－3Al代替30CrMnSiA鋼，零件可以減重40%左右。采用超塑性成形及擴(kuò)散聯(lián)接技術(shù)（SPF／DB）的鈦合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，例如A300、A310／320的前緣縫翼收放機(jī)構(gòu)外罩，可減重10%；A330、A340機(jī)翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等減重達(dá)到46%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)使用鈦合金的另一優(yōu)勢(shì)是突破體積限制。當(dāng)結(jié)構(gòu)載荷比較高、采用鋁合金又受到結(jié)構(gòu)空間限制時(shí)，強(qiáng)度較高的鈦合金成為較理想的材料。波音飛機(jī)上采用非常大的鈦合金鍛件以降低結(jié)構(gòu)體積，例如波音757和747的起落架梁。起落架是連接起落架梁和機(jī)翼后梁之間的部件，雖然鋁合金成本低，可以作為備選材料，但是由于操穩(wěn)載荷高，鋁合金需要做得非常大而難以包在機(jī)翼內(nèi)，故選用鈦合金則更為適合。

較高的工作溫度也是鈦合金的一大優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)鋁合金僅能適用于130～150℃，在高溫區(qū)域，采用鈦合金更適宜，可以提高結(jié)構(gòu)效率。鋼和鎳基合金也可以選用，但是這兩種材料密度都比鈦合金大。發(fā)動(dòng)機(jī)支持結(jié)構(gòu)，如B787吊掛結(jié)構(gòu)和輔助動(dòng)力裝置（APU）區(qū)域等，將溫度作為設(shè)計(jì)的主要考慮因素。

鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性，使其在腐蝕嚴(yán)重區(qū)域得以大量應(yīng)用。實(shí)際上鈦合金在民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)環(huán)境中，幾乎不會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。在易腐蝕區(qū)域，如位于廚房和盥洗室下的地板支持結(jié)構(gòu)，鈦合金可取代鋁合金用于連接座椅和地板。

隨著碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的廣泛使用，鈦合金與碳纖維復(fù)合材料相容性好的特點(diǎn)成為其大量使用的重要原因。鋁合金和CFRP之間存在有較大的電位差，將導(dǎo)致嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，盡管可以采取增加玻璃布等保護(hù)措施來(lái)隔離鋁合金和碳纖維，但表面涂層的任何破損都將導(dǎo)致鋁合金的快速腐蝕。對(duì)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，很難檢查或替換，為避免電化學(xué)腐蝕的出現(xiàn)，應(yīng)優(yōu)先選用鈦合金。鈦合金的這一特性，也使其在鋁合金與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間的界面中，得到大量應(yīng)用。與鋁合金相比，鈦合金能夠提高結(jié)構(gòu)壽命60%。而且其熱膨脹系數(shù)低，當(dāng)與CFRP結(jié)構(gòu)連接在一起時(shí)，能夠降低高熱載。

3、鈦合金在典型民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

3.1鈦合金在波音系列飛機(jī)上的應(yīng)用

鈦合金在波音系列飛機(jī)上的應(yīng)用，是隨著鋁合金和鋼用量的減少而逐步增加的，B777飛機(jī)鈦合金的用量為7%，由于復(fù)合材料的全面使用，鈦合金在B787飛機(jī)上的用量達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的15%，這標(biāo)志著鈦合金在現(xiàn)代復(fù)合材料民用飛機(jī)中的重要作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。波音系列飛機(jī)材料比例如圖1所示，鈦合金的應(yīng)用比例隨著每一個(gè)重要商業(yè)飛機(jī)的產(chǎn)生而增加。

圖1波音系列飛機(jī)材料比例

3.1.1鈦合金在B777上的應(yīng)用

在B777上，鈦合金主要應(yīng)用于早期CFRP結(jié)構(gòu)，來(lái)避免采用鋁合金造成的電化腐蝕，大幅度提高了飛機(jī)的損傷容限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金應(yīng)用于B777的主起落架轉(zhuǎn)向架梁上，單個(gè)鈦合金鍛件重量當(dāng)時(shí)達(dá)到了最大。這一設(shè)計(jì)減重幅度非常大，與高強(qiáng)度鋼的起落架部件相連接，沒(méi)有產(chǎn)生典型的腐蝕和表面損壞。另一個(gè)主要進(jìn)步是，B777選擇了β－21S鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)塞、整流罩和噴嘴等熱結(jié)構(gòu)，其高抗氧化性大幅度降低了排氣部件的重量。

3.1.2鈦合金在B787上的應(yīng)用

鈦合金在B787上的使用比例為破紀(jì)錄的15%。一方面是傳統(tǒng)部位的采用，如吊掛、起落架結(jié)構(gòu)等；另一方面，由于B787飛機(jī)復(fù)合材料用量的大幅增加以及鈦合金與復(fù)材相容性好的特點(diǎn)，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金。

吊掛是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，B787在其吊掛結(jié)構(gòu)上采用了新型的Ti－5Al－5V－5Mo－3Cr近β型合金，具有較高的強(qiáng)度，靜強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)的Ti－6Al－4V，主要應(yīng)用于比較重要的上連桿和吊掛接頭結(jié)構(gòu)，側(cè)連桿則采用了普通的Ti－6Al－4V，既滿(mǎn)足傳力要求，又能滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)溫度要求。鈦合金在B787吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用如圖2所示。

圖2鈦合金在B787吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

B787機(jī)身為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁、普通框和剪切角片等。而在載荷復(fù)雜的中機(jī)身，所有側(cè)邊框包括前后壓力隔框都普遍采用鈦合金結(jié)構(gòu)以承受高載，B787中機(jī)身框結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 B787中機(jī)身框結(jié)構(gòu)

B787大開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的加強(qiáng)框，采用了Ti－6Al－4V桿狀鍛件機(jī)加結(jié)構(gòu)。相比于復(fù)合材料框，鈦合金具有良好的抗沖擊性，可以避免旅客、貨物對(duì)門(mén)框意外撞擊造成損傷。相比于鋁合金，鈦合金不僅與復(fù)合材料機(jī)身壁板具有很好的相容性，結(jié)構(gòu)效率也要高出很多，能夠更好的對(duì)大開(kāi)口進(jìn)行加強(qiáng)，并在一定程度上降低結(jié)構(gòu)高度，節(jié)省內(nèi)部空間。為避免腐蝕，B787座椅滑軌也采用了鈦合金擠壓型材。

B787的其他關(guān)鍵部位，尤其是與復(fù)合材料外翼前后梁連接的各類(lèi)接頭，普遍采用了鈦合金。包括與發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛連接的接頭、與主起落架連接接頭，襟翼滑軌接頭、機(jī)翼梁接頭等，部分接頭零件的選材情況如圖4所示。

圖4與B787機(jī)翼連接的部分鈦合金接頭

3.2鈦合金在空客飛機(jī)上的應(yīng)用

鈦合金在空客系列飛機(jī)上的使用量一直比較穩(wěn)定，低于鋼的用量。隨著復(fù)合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減少，在A350飛機(jī)上復(fù)合材料用量達(dá)到了52%，鈦合金也超過(guò)了鋼的用量，達(dá)到了14%，如圖5所示。

圖5 空客系列飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的比例

3.2.1鈦合金在A380飛機(jī)上的應(yīng)用

A380是目前世界上最大的民用飛機(jī)，以鋁合金為主要材料。A380的選材和設(shè)計(jì)代表著先進(jìn)民用飛機(jī)選材和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。相較于以往機(jī)型，A380鈦合金的使用比例沒(méi)有明顯增加，但由于機(jī)身整體重量大，鈦合金的總用量是相當(dāng)大的。在機(jī)身的關(guān)鍵部位，都采用了鈦合金，尤其是重要的連接位置。A380飛機(jī)鈦合金分布情況如圖6所示，主起落架采用Ti－10V－2Fe－3Al，每件重量達(dá)3 120kg。

圖6 鈦合金在A380飛機(jī)上的主要分布

空中客車(chē)公司第一次采用全鈦設(shè)計(jì)了A380吊掛的主要結(jié)構(gòu)。主要采用最常用的鈦合金Ti－6Al－4V，如圖7所示，其在β退火狀態(tài)下具有最大的斷裂韌性和最小的裂紋增長(zhǎng)速度，使得吊掛的疲勞性能得到較大改善。

圖7鈦合金在A380吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

此外，在A380上第一次采用了新型鈦合金VST55531，這種新的鈦合金是空中客車(chē)公司與俄羅斯制造商共同研發(fā)的，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供良好的斷裂韌性和較高強(qiáng)度的綜合性能匹配。該合金目前用于A380飛機(jī)機(jī)翼和掛架之間的連接件，進(jìn)一步的應(yīng)用還在研究之中。

3.2.2鈦合金在A350XWB飛機(jī)上的應(yīng)用

A350XWB是目前世界上除B787以外應(yīng)用復(fù)合材料最多的機(jī)型。由于鈦合金與復(fù)合材料良好的相容性，鈦合金的用量往往隨著復(fù)合材料用量的增加而增加。2005年，A350計(jì)劃采用40%的復(fù)合材料和9%的鈦合金；2007年，迫于B787的壓力，A350XWB將復(fù)合材料用量增加到了52%，相應(yīng)地，鈦合金的用量也增加到了14%，如圖8所示，兩種材料的百分比基本與B787持平。

圖8 A350（XWB）鈦合金用量隨復(fù)合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛機(jī)將鈦合金應(yīng)用于吊掛主結(jié)構(gòu)，并增加了起落架結(jié)構(gòu)鈦合金的用量，在活塞、轉(zhuǎn)向架、扭力臂和側(cè)撐桿等部位也都采用了鈦合金（如圖9所示）。事實(shí)證明鈦合金具有很好的耐高溫、耐腐蝕性能，采用鈦合金實(shí)現(xiàn)了減重，提供了較高的可靠性和較低的維護(hù)費(fèi)用。

圖9 鈦合金在A350XWB吊掛與起落架上的應(yīng)用

由于大范圍使用復(fù)合材料，而鈦合金與復(fù)合材料的相容性比鋁合金好，在A350XWB飛機(jī)上，鈦合金在很多結(jié)構(gòu)上代替了傳統(tǒng)鋁合金，典型的如門(mén)加強(qiáng)框。空客認(rèn)為，選擇鈦合金的主要原因是門(mén)框上存在大量的連接件，如門(mén)擋塊，這些連接件在安裝后可能仍需調(diào)整才能達(dá)到正確的位置，裝配中易產(chǎn)生劃痕和錯(cuò)誤的鉆孔，鈦合金對(duì)于這些損傷的敏感度比復(fù)合材料低得多。同樣，采用鈦合金材料，裝配后的門(mén)框組件也比較容易修理?；谝资軗p的原因，門(mén)上部楣梁及其延伸段和下部檻梁也選擇了鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料，如圖10所示。A350還將鈦合金用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火墻等。

圖10 A350登機(jī)門(mén)口框結(jié)構(gòu)

3.3鈦合金在龐巴迪C系列（CS100和CS300型）飛機(jī)上的應(yīng)用

作為即將服役的新機(jī)，C系列飛機(jī)鈦合金的用量達(dá)到了8%的較高比例，C系列飛機(jī)材料使用情況如圖11所示。

圖11 C系列飛機(jī)材料使用情況

C系列也在機(jī)身關(guān)鍵位置采用了鈦合金，如發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛、平尾懸掛接頭等，中機(jī)身后梁框采用了鈦合金Ti－6AlV4V。鈦合金后梁框與復(fù)合材料中央翼盒相容性好，更重要的是將鋁鋰合金后梁框更改為鈦合金后梁框后，不僅提高了材料的耐腐蝕性和疲勞性能，根據(jù)計(jì)算還能夠減重約20kg，這是一個(gè)非常可觀的數(shù)據(jù)。在鋁鋰合金中后機(jī)身和復(fù)合材料后機(jī)身的界面中，采用了鈦合金連接角材與后部復(fù)合材料壓力隔框進(jìn)行連接，以避免電化腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并提高疲勞壽命。

根據(jù)高溫區(qū)需要，C系列APU防火墻采用純鈦薄板，尾錐對(duì)接框采用Ti－6Al－4V厚板機(jī)加結(jié)構(gòu)；航燈整流罩、進(jìn)氣道穩(wěn)壓室、APU消音器等也采用了鈦合金；考慮強(qiáng)度、剛度和耐沖擊性，一些重要的接頭和艙門(mén)擋塊等普遍選擇了鈦合金材料。鈦合金在C系列飛機(jī)尾錐上的應(yīng)用如圖12所示。

圖12鈦合金在C系列尾錐上的應(yīng)用

3.4鈦合金緊固件在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代飛機(jī)復(fù)合材料用量的急劇增加，鈦合金緊固件數(shù)量隨之大量增加。緊固件材料的選用受到飛機(jī)性能、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其緊固件材料的選擇主要從電位和比強(qiáng)度進(jìn)行考慮。從電位來(lái)講，復(fù)合材料緊固件是最適合的，但其難以滿(mǎn)足高強(qiáng)度、抗疲勞等性能要求，一般只能用于特殊部位；其次是不銹鋼，但其比強(qiáng)度較低，也不適合大量采用。兼顧高比強(qiáng)度和低電位差，鈦合金成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件的最佳材料，無(wú)論是鉚釘，還是螺栓、單面緊固件等，都大量采用鈦合金材料。通常，對(duì)于復(fù)合材料的機(jī)械連接（包括螺接和鉚接），螺接類(lèi)緊固件材料常選用Ti－6Al－4V；鉚接類(lèi)緊固件材料常選用純鈦和鈦鈮合金（55Ti－45Cb），原因是其能防止電偶腐蝕和具有高的比強(qiáng)度，鉚接性能（延展性）也較好。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著復(fù)合材料逐漸成為民用飛機(jī)機(jī)體的主要材料，鈦合金在民用飛機(jī)上應(yīng)用的百分比也逐漸增加，鈦合金材料應(yīng)用面臨著前所未有的機(jī)遇。除了傳統(tǒng)部位，如吊掛、起落架等結(jié)構(gòu)外，也逐漸應(yīng)用于大開(kāi)口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、APU防火墻等部位，尤其是機(jī)身、機(jī)翼上重要的接頭零件和界面零件，鈦合金的使用范圍在不斷地?cái)U(kuò)大。

由于鈦合金的固有屬性，導(dǎo)致其成本高、加工和成型相對(duì)困難，使其在大量應(yīng)用方面面臨著較大的挑戰(zhàn)。研發(fā)和利用綜合高性能的鈦合金材料，提高鈦合金加工與制造工藝，是現(xiàn)代民用飛機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

作者：張寶柱，孫潔瓊中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司工程研發(fā)中心

來(lái)源：《航空工程進(jìn)展》雜志