民用飛機機體結(jié)構(gòu)通常采用鈦合金以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當(dāng)代先進的民用飛機普遍提高了鈦合金的用量。從鈦合金的特點及其應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā)，介紹了鈦合金在先進民用飛機機體結(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機體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的機遇和挑戰(zhàn)，為我國民用飛機的研發(fā)和發(fā)展提供參考和借鑒。

0、引言

鈦合金以其高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著先進復(fù)合材料在民用飛機上用量的逐漸增加，鈦合金與復(fù)合材料相容性好的特點使其具有了更大的優(yōu)勢，其在民用飛機機體結(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，鈦合金用量分別達到15%和14%，充分體現(xiàn)了鈦合金在現(xiàn)代民用飛機設(shè)計領(lǐng)域的重要性和不可替代性。

我國民用飛機設(shè)計起點較低、發(fā)展較慢，鈦合金在機體上的應(yīng)用還有待進一步提高。為提升我國民用飛機上鈦合金的使用量，發(fā)揮鈦合金的優(yōu)勢，進而提高飛機性能，實現(xiàn)減重和優(yōu)化，本文對鈦合金的性能特點、應(yīng)用優(yōu)勢及其在現(xiàn)代先進民用飛機上的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析和研究，總結(jié)鈦合金應(yīng)用的機遇和面臨的挑戰(zhàn)，為我國民用飛機的研制和發(fā)展提供參考和借鑒，具有較高的實際指導(dǎo)意義。

1、鈦合金的主要性能特點

鈦合金是一種重量輕、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，比強度高；具有較高的熔點，約為1 690°C；彈性模量相對較低，可以通過合金化和熱處理獲取更高的強度性能；具有很高的疲勞強度和斷裂韌性；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；無磁性。高溫時，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，能夠降低飛機的運營和維護成本。

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

2、鈦合金的應(yīng)用優(yōu)勢

民用飛機上大量應(yīng)用鈦合金的一個重要推動力是結(jié)構(gòu)減重，減重效果直接決定飛機綜合成本的高低。鈦合金比同等強度的鋼的密度低40%，用鈦合金代替鋼和鎳基合金甚至高強度鋼時，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)動機風(fēng)扇、壓氣機盤及葉片等可減重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的前緣縫翼收放機構(gòu)外罩，可減重10%；A330、A340機翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機構(gòu)等減重達到46%，經(jīng)濟效益顯著。

民用飛機機體結(jié)構(gòu)使用鈦合金的另一優(yōu)勢是突破體積限制。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，強度較高的鈦合金成為較理想的材料。波音飛機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。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)動機支持結(jié)構(gòu)，如B787吊掛結(jié)構(gòu)和輔助動力裝置（APU）區(qū)域等，將溫度作為設(shè)計的主要考慮因素。

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。實際上鈦合金在民用飛機運營環(huán)境中，幾乎不會發(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措施來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，能夠降低高熱載。

3、鈦合金在典型民用飛機機體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

3.1鈦合金在波音系列飛機上的應(yīng)用

鈦合金在波音系列飛機上的應(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飛機上的用量達到了創(chuàng)紀(jì)錄的15%，這標(biāo)志著鈦合金在現(xiàn)代復(fù)合材料民用飛機中的重要作用逐漸顯現(xiàn)出來。波音系列飛機材料比例如圖1所示，鈦合金的應(yīng)用比例隨著每一個重要商業(yè)飛機的產(chǎn)生而增加。

圖1波音系列飛機材料比例

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)，來避免采用鋁合金造成的電化腐蝕，大幅度提高了飛機的損傷容限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金應(yīng)用于B777的主起落架轉(zhuǎn)向架梁上，單個鈦合金鍛件重量當(dāng)時達到了最大。這一設(shè)計減重幅度非常大，與高強度鋼的起落架部件相連接，沒有產(chǎn)生典型的腐蝕和表面損壞。另一個主要進步是，B777選擇了β－21S鈦合金用于發(fā)動機塞、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，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金。

吊掛是飛機的關(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，具有較高的強度，靜強度優(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，既滿足傳力要求，又能滿足運營溫度要求。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機身為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，包括機身蒙皮、長桁、普通框和剪切角片等。而在載荷復(fù)雜的中機身，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中機身框結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 B787中機身框結(jié)構(gòu)

B787大開口加強結(jié)構(gòu)中的加強框，采用了Ti－6Al－4V桿狀鍛件機加結(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、貨物對門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，能夠更好的對大開口進行加強，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接頭，普遍采用了鈦合金。包括與發(fā)動機吊掛連接的接頭、與主起落架連接接頭，襟翼滑軌接頭、機翼梁接頭等，部分接頭零件的選材情況如圖4所示。

圖4與B787機翼連接的部分鈦合金接頭

3.2鈦合金在空客飛機上的應(yīng)用

鈦合金在空客系列飛機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飛機上復(fù)合材料用量達到了52%，鈦合金也超過了鋼的用量，達到了14%，如圖5所示。

圖5 空客系列飛機結(jié)構(gòu)材料的比例

3.2.1鈦合金在A380飛機上的應(yīng)用

A380是目前世界上最大的民用飛機，以鋁合金為主要材料。A380的選材和設(shè)計代表著先進民用飛機選材和設(shè)計的趨勢。相較于以往機型，A380鈦合金的使用比例沒有明顯增加，但由于機身整體重量大，鈦合金的總用量是相當(dāng)大的。在機身的關(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3 120kg。

圖6 鈦合金在A380飛機上的主要分布

空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計了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公司與俄羅斯制造商共同研發(fā)的，能夠為設(shè)計者提供良好的斷裂韌性和較高強度的綜合性能匹配。該合金目前用于A380飛機機翼和掛架之間的連接件，進一步的應(yīng)用還在研究之中。

3.2.2鈦合金在A350XWB飛機上的應(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）。事實證明鈦合金具有很好的耐高溫、耐腐蝕性能，采用鈦合金實現(xiàn)了減重，提供了較高的可靠性和較低的維護費用。

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，典型的如門加強框?？湛驼J(rèn)為，選擇鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接件，如門擋塊，這些連接件在安裝后可能仍需調(diào)整才能達到正確的位置，裝配中易產(chǎn)生劃痕和錯誤的鉆孔，鈦合金對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，裝配后的門框組件也比較容易修理。基于易受損的原因，門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還將鈦合金用于機翼結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火墻等。

圖10 A350登機門口框結(jié)構(gòu)

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

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

圖11 C系列飛機材料使用情況

C系列也在機身關(guān)鍵位置采用了鈦合金，如發(fā)動機吊掛、平尾懸掛接頭等，中機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)計算還能夠減重約20kg，這是一個非常可觀的數(shù)據(jù)。在鋁鋰合金中后機身和復(fù)合材料后機身的界面中，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，尾錐對接框采用Ti－6Al－4V厚板機加結(jié)構(gòu)；航燈整流罩、進氣道穩(wěn)壓室、APU消音器等也采用了鈦合金；考慮強度、剛度和耐沖擊性，一些重要的接頭和艙門擋塊等普遍選擇了鈦合金材料。鈦合金在C系列飛機尾錐上的應(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性能、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。對于復(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度進行考慮。從電位來講，復(fù)合材料緊固件是最適合的，但其難以滿足高強度、抗疲勞等性能要求，一般只能用于特殊部位；其次是不銹鋼，但其比強度較低，也不適合大量采用。兼顧高比強度和低電位差，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，對于復(fù)合材料的機械連接（包括螺接和鉚接），螺接類緊固件材料常選用Ti－6Al－4V；鉚接類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度，鉚接性能（延展性）也較好。

4結(jié)束語

隨著復(fù)合材料逐漸成為民用飛機機體的主要材料，鈦合金在民用飛機上應(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)用于大開口加強結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、APU防火墻等部位，尤其是機身、機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擴大。

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)代民用飛機的發(fā)展趨勢。

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

來源：《航空工程進展》雜志