民用飛機機體結構通常采用鈦合金以實(shí)現結構減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當代先進(jìn)的民用飛機普遍提高了鈦合金的用量。從鈦合金的特點(diǎn)及其應用優(yōu)勢出發(fā)，介紹了鈦合金在先進(jìn)民用飛機機體結構中的應用現狀并分析原因，總結并提出了鈦合金在民用飛機機體結構上應用的機遇和挑戰，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(diǎn)，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應用。隨著(zhù)先進(jìn)復合材料在民用飛機上用量的逐漸增加，鈦合金與復合材料相容性好的特點(diǎn)使其具有了更大的優(yōu)勢，其在民用飛機機體結構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%，充分體現了鈦合金在現代民用飛機設計領(lǐng)域的重要性和不可替代性。

我國民用飛機設計起點(diǎn)較低、發(fā)展較慢，鈦合金在機體上的應用還有待進(jìn)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(jìn)而提高飛機性能，實(shí)現減重和優(yōu)化，本文對鈦合金的性能特點(diǎn)、應用優(yōu)勢及其在現代先進(jìn)民用飛機上的應用現狀進(jìn)行分析和研究，總結鈦合金應用的機遇和面臨的挑戰，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(shí)際指導意義。

1、鈦合金的主要性能特點(diǎn)

鈦合金是一種重量輕、耐腐蝕的結構材料，比強度高；具有較高的熔點(diǎn)，約為1 690°C；彈性模量相對較低，可以通過(guò)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，熱膨脹系數比鋼低，比鋁合金的50%還低，熱傳導率低；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，能夠降低飛機的運營(yíng)和維護成本。

制約鈦合金應用的主要問(wèn)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、鈦合金的應用優(yōu)勢

民用飛機上大量應用鈦合金的一個(gè)重要推動(dòng)力是結構減重，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(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)機風(fēng)扇、壓氣機盤(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散聯(lián)接技術(shù)（SPF／DB）的鈦合金結構應用廣泛，例如A300、A310／320的前緣縫翼收放機構外罩，可減重10%；A330、A340機翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動(dòng)機構等減重達到46%，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

民用飛機機體結構使用鈦合金的另一優(yōu)勢是突破體積限制。當結構載荷比較高、采用鋁合金又受到結構空間限制時(shí)，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構體積，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，但是由于操穩載荷高，鋁合金需要做得非常大而難以包在機翼內，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。傳統鋁合金僅能適用于130～150℃，在高溫區域，采用鈦合金更適宜，可以提高結構效率。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)機支持結構，如B787吊掛結構和輔助動(dòng)力裝置（APU）區域等，將溫度作為設計的主要考慮因素。

鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性，使其在腐蝕嚴重區域得以大量應用。實(shí)際上鈦合金在民用飛機運營(yíng)環(huán)境中，幾乎不會(huì )發(fā)生腐蝕現象。在易腐蝕區域，如位于廚房和盥洗室下的地板支持結構，鈦合金可取代鋁合金用于連接座椅和地板。

隨著(zhù)碳纖維復合材料（CFRP）的廣泛使用，鈦合金與碳纖維復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，將導致嚴重的電化學(xué)腐蝕，盡管可以采取增加玻璃布等保護措施來(lái)隔離鋁合金和碳纖維，但表面涂層的任何破損都將導致鋁合金的快速腐蝕。對于關(guān)鍵結構，很難檢查或替換，為避免電化學(xué)腐蝕的出現，應優(yōu)先選用鈦合金。鈦合金的這一特性，也使其在鋁合金與復合材料結構之間的界面中，得到大量應用。與鋁合金相比，鈦合金能夠提高結構壽命60%。而且其熱膨脹系數低，當與CFRP結構連接在一起時(shí)，能夠降低高熱載。

3、鈦合金在典型民用飛機機體結構上的應用

3.1鈦合金在波音系列飛機上的應用

鈦合金在波音系列飛機上的應用，是隨著(zhù)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 )紀錄的15%，這標志著(zhù)鈦合金在現代復合材料民用飛機中的重要作用逐漸顯現出來(lái)。波音系列飛機材料比例如圖1所示，鈦合金的應用比例隨著(zhù)每一個(gè)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上的應用

在B777上，鈦合金主要應用于早期CFRP結構，來(lái)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鈦合金應用于B777的主起落架轉向架梁上，單個(gè)鈦合金鍛件重量當時(shí)達到了最大。這一設計減重幅度非常大，與高強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)機塞、整流罩和噴嘴等熱結構，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上的應用

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

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

圖2鈦合金在B787吊掛結構上的應用

B787機身為全復合材料結構，包括機身蒙皮、長(cháng)桁、普通框和剪切角片等。而在載荷復雜的中機身，所有側邊框包括前后壓力隔框都普遍采用鈦合金結構以承受高載，B787中機身框結構如圖3所示。

圖3 B787中機身框結構

B787大開(kāi)口加強結構中的加強框，采用了Ti－6Al－4V桿狀鍛件機加結構。相比于復合材料框，鈦合金具有良好的抗沖擊性，可以避免旅客、貨物對門(mén)框意外撞擊造成損傷。相比于鋁合金，鈦合金不僅與復合材料機身壁板具有很好的相容性，結構效率也要高出很多，能夠更好的對大開(kāi)口進(jìn)行加強，并在一定程度上降低結構高度，節省內部空間。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用

鈦合金在空客系列飛機上的使用量一直比較穩定，低于鋼的用量。隨著(zhù)復合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減少，在A(yíng)350飛機上復合材料用量達到了52%，鈦合金也超過(guò)了鋼的用量，達到了14%，如圖5所示。

圖5 空客系列飛機結構材料的比例

3.2.1鈦合金在A(yíng)380飛機上的應用

A380是目前世界上最大的民用飛機，以鋁合金為主要材料。A380的選材和設計代表著(zhù)先進(jìn)民用飛機選材和設計的趨勢。相較于以往機型，A380鈦合金的使用比例沒(méi)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A(yíng)380飛機上的主要分布

空中客車(chē)公司第一次采用全鈦設計了A380吊掛的主要結構。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(cháng)速度，使得吊掛的疲勞性能得到較大改善。

圖7鈦合金在A(yíng)380吊掛結構上的應用

此外，在A(yíng)380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，能夠為設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A(yíng)380飛機機翼和掛架之間的連接件，進(jìn)一步的應用還在研究之中。

3.2.2鈦合金在A(yíng)350XWB飛機上的應用

A350XWB是目前世界上除B787以外應用復合材料最多的機型。由于鈦合金與復合材料良好的相容性，鈦合金的用量往往隨著(zhù)復合材料用量的增加而增加。2005年，A350計劃采用40%的復合材料和9%的鈦合金；2007年，迫于B787的壓力，A350XWB將復合材料用量增加到了52%，相應地，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）鈦合金用量隨復合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛機將鈦合金應用于吊掛主結構，并增加了起落架結構鈦合金的用量，在活塞、轉向架、扭力臂和側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A(yíng)350XWB吊掛與起落架上的應用

由于大范圍使用復合材料，而鈦合金與復合材料的相容性比鋁合金好，在A(yíng)350XWB飛機上，鈦合金在很多結構上代替了傳統鋁合金，典型的如門(mén)加強框?？湛驼J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構材料，如圖10所示。A350還將鈦合金用于機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火墻等。

圖10 A350登機門(mén)口框結構

3.3鈦合金在龐巴迪C系列（CS100和CS300型）飛機上的應用

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(dòng)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，根據計算還能夠減重約20kg，這是一個(gè)非?？捎^(guān)的數據。在鋁鋰合金中后機身和復合材料后機身的界面中，采用了鈦合金連接角材與后部復合材料壓力隔框進(jìn)行連接，以避免電化腐蝕現象的發(fā)生，并提高疲勞壽命。

根據高溫區需要，C系列APU防火墻采用純鈦薄板，尾錐對接框采用Ti－6Al－4V厚板機加結構；航燈整流罩、進(jìn)氣道穩壓室、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(mén)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用如圖12所示。

圖12鈦合金在C系列尾錐上的應用

3.4鈦合金緊固件在復合材料結構中的應用

隨著(zhù)現代飛機復合材料用量的急劇增加，鈦合金緊固件數量隨之大量增加。緊固件材料的選用受到飛機性能、環(huán)境、結構等多種因素的影響。對于復合材料結構，其緊固件材料的選擇主要從電位和比強度進(jìn)行考慮。從電位來(lái)講，復合材料緊固件是最適合的，但其難以滿(mǎn)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，鈦合金成為復合材料結構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，對于復合材料的機械連接（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度，鉚接性能（延展性）也較好。

4結束語(yǔ)

隨著(zhù)復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用的百分比也逐漸增加，鈦合金材料應用面臨著(zhù)前所未有的機遇。除了傳統部位，如吊掛、起落架等結構外，也逐漸應用于大開(kāi)口加強結構、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，導致其成本高、加工和成型相對困難，使其在大量應用方面面臨著(zhù)較大的挑戰。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任公司工程研發(fā)中心

來(lái)源：《航空工程進(jìn)展》雜志