民用飛機機體結構通常采（cǎi）用鈦合金（jīn）以實現結構減（jiǎn）重、改善疲勞壽（shòu）命、提高（gāo）耐腐蝕（shí）性，當（dāng）代先進的民用飛機普遍提高了鈦合金（jīn）的用量。從（cóng）鈦合（hé）金的特點及其應用優（yōu）勢出發，介（jiè）紹了鈦合金（jīn）在先進民用飛機機體結構中的應用現狀並分析原因，總結並提出了鈦合金在民用飛機機體結構上應用的機（jī）遇和挑戰，為我國民用飛機（jī）的研發和發展提供參考和借鑒。

0、引言

鈦合金以其（qí）高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，在航空領域得到了廣泛（fàn）的應用。隨著先進複合材料在民用飛機上用量的逐漸增加，鈦合（hé）金與複合材料相（xiàng）容性好的特點使（shǐ）其（qí）具有了更大的（de）優勢（shì），其在（zài）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（hé）金用量分別達到15%和14%，充分體現了鈦合金（jīn）在現代民用飛機設計領域的重要性和不可替代性。

我（wǒ）國民用飛（fēi）機（jī）設計起點較（jiào）低、發（fā）展較慢，鈦合金在機體上（shàng）的應用（yòng）還有待進一（yī）步提（tí）高（gāo）。為提升我國民用飛機上（shàng）鈦合金的使用量，發揮鈦合金的優勢，進而提高飛機性能，實現減重和優化，本文對鈦合金的性能特（tè）點、應用優勢（shì）及其在（zài）現（xiàn）代先進民用飛機上的應用現狀（zhuàng）進行分析（xī）和研究（jiū），總結鈦（tài）合金應用的機遇和麵臨的挑戰，為（wéi）我國民用（yòng）飛機的研製和發展提供參考和借鑒，具有較高的（de）實際指導意義。

1、鈦合金的主要（yào）性能特點

鈦合金是一種重量輕、耐腐（fǔ）蝕的結構材（cái）料，比強度高；具有較高的熔點，約（yuē）為1 690°C；彈性模（mó）量相對較低，可以通過合金化（huà）和熱處理獲取更高的強度性能；具有很高的疲勞強度和斷（duàn）裂韌性；很好的高溫性能（néng）；熱（rè）性能好（hǎo），熱膨脹（zhàng）係數比鋼（gāng）低，比鋁合金的50%還低，熱傳導率（lǜ）低；無磁性。高溫時，與其他材料具有很好的化（huà）學相容性；優越的耐腐蝕和（hé）抗氧化能力，能夠（gòu）降低飛機的運營和維護成本。

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

2、鈦合金的應用優勢

民用飛（fēi）機上大量應用鈦合金的一個重要推動（dòng）力是結構減重，減重效果直接決定飛機綜（zōng）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（dù）鋼時，能夠大量減重（chóng）。例如，在某些情況，用鈦合金Ti－6Al－4V代替鋼用於發動機（jī）風扇、壓氣機盤及葉片（piàn）等可減重30%；用Ti－10V－2Fe－3Al代替30CrMnSiA鋼（gāng），零件可以減重40%左（zuǒ）右。采用超塑性成形及擴散聯接技術（SPF／DB）的鈦合金結構應用（yòng）廣泛，例如A300、A310／320的前緣縫翼（yì）收放機構外罩（zhào），可減重10%；A330、A340機翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機構等減重達到46%，經濟效益（yì）顯著。

民用飛機機體結構使用鈦合金的另一優（yōu）勢（shì）是突破（pò）體積限製。當結構（gòu）載荷比較高、采用鋁合金又受到結構空間限製時，強度較高的鈦合（hé）金成為較理（lǐ）想的材料。波音飛機上采用非常（cháng）大的鈦合金鍛件以降低結構體積，例如波音757和747的（de）起落架梁。起（qǐ）落架是連接起落架梁和機翼後梁之間的部件，雖然鋁合金成本低，可以作為備選（xuǎn）材（cái）料，但是由於操穩載荷高，鋁合金需要做得非（fēi）常大而難（nán）以包在機翼內，故選用鈦合金則更為適合。

較高的工作溫度（dù）也是鈦合金的一大優勢。傳統鋁合金僅能（néng）適（shì）用於130～150℃，在（zài）高溫區域，采用鈦合金更適（shì）宜，可以提高結（jié）構效率。鋼（gāng）和（hé）鎳基合金（jīn）也可以選用，但是這兩種材料密度都比鈦合金大。發動機支持（chí）結（jié）構，如B787吊掛結構和輔（fǔ）助動力（lì）裝置（APU）區域等，將溫度作（zuò）為設計的主要考慮因素。

鈦合金具有優良的耐腐蝕性，使其在腐（fǔ）蝕嚴重區域得以大量應用。實際（jì）上鈦合（hé）金在民用飛機運營環境中，幾乎不（bú）會發生腐蝕現象。在易腐蝕區域，如位於（yú）廚房和盥洗室下（xià）的地板支持結構，鈦合金可取代鋁合金用於連接（jiē）座椅和地板。

隨著碳纖維複合材料（CFRP）的廣泛使用，鈦合（hé）金（jīn）與碳纖維複合材料相容性好的特（tè）點成為其大量使用的重要原因。鋁合金和（hé）CFRP之間存在有較大的電位差，將導致嚴重的電化學腐蝕，盡（jìn）管可以采取（qǔ）增加玻璃布等保護措施（shī）來隔離鋁合金和碳纖維，但表麵塗層的任何破（pò）損都將導致（zhì）鋁合金（jīn）的快速腐蝕。對於關鍵結（jié）構，很難（nán）檢查或替換，為避免電化學腐蝕的出現，應優先選（xuǎn）用鈦合金（jīn）。鈦合金（jīn）的這一特性，也使其在鋁（lǚ）合金與複合材料結構之間的界麵（miàn）中，得到大量應用。與鋁合金相比，鈦合金（jīn）能夠提高結（jié）構壽命60%。而且（qiě）其熱（rè）膨脹係數低，當與CFRP結（jié）構連接在一起時，能夠降低（dī）高熱載。

3、鈦合金在典型民用飛機機體結構上的應用

3.1鈦合金在波音係列飛機上的應用

鈦合金在（zài）波音係列飛機上的應用，是隨著鋁合金和鋼（gāng）用量的減少而逐步（bù）增加的，B777飛（fēi）機（jī）鈦合金的用量為7%，由於複合（hé）材料的全麵使用，鈦合金在B787飛機上的用量達到了創紀錄的15%，這標誌著鈦合金在現代複（fù）合材料民用飛機中的重要作用逐漸顯現出來。波音係列飛機材料比例如圖1所示，鈦合金（jīn）的應用比例（lì）隨著每一個重要（yào）商業飛機的產生而增加。

圖1波音係列飛機材料比（bǐ）例

3.1.1鈦合金在B777上的應用

在B777上，鈦合金主要應用（yòng）於早期CFRP結構，來避免采用鋁合（hé）金造成的電（diàn）化腐（fǔ）蝕，大幅度提高了飛機（jī）的損傷容限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦（tài）合金應用於B777的主（zhǔ）起落架轉向架（jià）梁上，單個鈦合金鍛件重量當時達到了最大。這一設（shè）計減重（chóng）幅度（dù）非常大，與高強度鋼的起（qǐ）落架部件相連接，沒有產生典型的腐蝕和表（biǎo）麵損壞。另一個主（zhǔ）要進步是，B777選（xuǎn）擇了β－21S鈦合金用於發動（dòng）機塞、整流罩和噴（pēn）嘴等熱（rè）結構，其高抗氧化性大（dà）幅度降低了（le）排氣部件的重（chóng）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（wéi）破紀錄的15%。一方麵是傳統部位的采用，如吊（diào）掛、起落架結構等；另一方麵，由於B787飛機複（fù）合（hé）材料用量的大幅增加（jiā）以及鈦合金與複材相容（róng）性好的（de）特點，鈦合（hé）金在某些部位也取代了鋁合（hé）金。

吊掛是飛機的關鍵部件，B787在其（qí）吊掛結構上采用（yòng）了新（xīn）型的Ti－5Al－5V－5Mo－3Cr近β型合金，具有較高的強度，靜強度優於傳統的Ti－6Al－4V，主要應用於比較（jiào）重要的上連杆和吊掛接頭結構，側連杆（gǎn）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吊掛結構上的應用（yòng）如圖2所示。

圖2鈦合金在B787吊掛結構上的應用

B787機身為（wéi）全複合（hé）材（cái）料結構，包括機身蒙皮、長桁、普通框和剪切角片等。而在載荷複雜的中機身（shēn），所有側邊框包括前後（hòu）壓力隔框都普遍采用鈦合金結構以承受高載，B787中（zhōng）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（zhōng）的加強框，采用了Ti－6Al－4V杆狀鍛件（jiàn）機加結構。相比於複合（hé）材料框，鈦（tài）合金具有良（liáng）好的抗（kàng）衝擊性，可以避免（miǎn）旅客、貨物對門框（kuàng）意外撞擊造成損傷。相比於（yú）鋁合金，鈦合金不僅（jǐn）與複合（hé）材（cái）料機身壁板具有很好的相容性，結構效率（lǜ）也（yě）要高出很多（duō），能夠更好的對（duì）大開口進行加強，並在一定程度上降低結構高度（dù），節省內部空間（jiān）。為避免腐蝕，B787座椅滑軌也采用了鈦合金擠壓（yā）型材。

B787的其他關鍵部位，尤其是與複合材料外翼前後（hòu）梁連接的各類接頭，普遍采用（yòng）了鈦合金。包括與發動機（jī）吊掛連接的（de）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（tóu）零（líng）件的選材情（qíng）況如圖4所示（shì）。

圖4與B787機翼連接的部（bù）分鈦合金接頭

3.2鈦合金在空客飛（fēi）機上的應用

鈦合金在空客係列飛機上（shàng）的（de）使用量一直比較穩定，低於鋼的用（yòng）量。隨著複合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減少，在A350飛機上複（fù）合材料用量達到了52%，鈦合（hé）金也超（chāo）過了鋼的（de）用量，達到了14%，如圖5所示。

圖5 空客係列飛機結（jié）構材料的（de）比例

3.2.1鈦合金在A380飛機上（shàng）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先進民用飛機選（xuǎn）材和設計的（de）趨勢。相（xiàng）較於以往機型，A380鈦合金的（de）使用比例沒（méi）有明顯增加，但由於機身整體重量大，鈦合金的總用量是相當大的。在（zài）機（jī）身的關鍵部位，都采用了鈦合金，尤其是重要的連接位置（zhì）。A380飛機鈦合金分布情（qíng）況如（rú）圖6所示，主起（qǐ）落架采用Ti－10V－2Fe－3Al，每件重量達3 120kg。

圖（tú）6 鈦合金在A380飛機上的主要分布

空中客車（chē）公司（sī）第一次（cì）采用全鈦設計了A380吊掛的主要結構。主要（yào）采用最常用的鈦合金Ti－6Al－4V，如（rú）圖7所（suǒ）示，其在β退火狀態下具有最大的斷裂韌性和最小的裂紋增（zēng）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吊掛結構上的應用

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（sī）與俄羅斯製造商共同（tóng）研發（fā）的（de），能夠為設（shè）計者提（tí）供良好的斷（duàn）裂韌性和較高強度的綜合性能匹配。該合金目前用於A380飛機機翼和掛架（jià）之間（jiān）的連接件，進一步的應用還在研究之中。

3.2.2鈦合金在A350XWB飛（fēi）機（jī）上的應用

A350XWB是目前世界（jiè）上（shàng）除B787以外應用複合材料最多的機（jī）型。由於鈦合（hé）金與複合材料（liào）良好的相容性，鈦合金的用量往往隨著複合材料用量的增加（jiā）而增加。2005年，A350計劃采用40%的（de）複合材料和9%的鈦合金；2007年，迫於B787的壓力，A350XWB將複合材料用（yòng）量增加到了52%，相應地，鈦合金的（de）用量也增加到了14%，如（rú）圖（tú）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（liàng）隨複合材（cái）料用（yòng）量的變化

與A380相似，A350XWB飛機將鈦合金應用於吊掛主結構，並（bìng）增加（jiā）了起落架結（jié）構鈦合金的用量，在活塞、轉向架、扭力臂和側撐杆等部位也都采（cǎi）用了鈦合金（如圖（tú）9所示）。事實證（zhèng）明（míng）鈦合金具有很好的耐（nài）高溫、耐腐蝕性能（néng），采用鈦合金實現了減重，提供了較高的可靠性和較低的維護費用。

圖9 鈦（tài）合金在A350XWB吊掛與起落架上（shàng）的應用

由於大範（fàn）圍使用複合材（cái）料，而鈦合金與複合材料的相容性比鋁（lǚ）合金好，在A350XWB飛機上，鈦合金在很多結構上代替了傳統鋁合金，典型的如門加強框。空客認為，選（xuǎn）擇鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接件，如（rú）門擋塊，這些（xiē）連接件在（zài）安裝（zhuāng）後可能仍需調整才能達到（dào）正確的位置，裝配中易產生劃痕和錯誤的鑽孔，鈦合金對於這些損（sǔn）傷的敏感度比複合材料低得多。同樣，采（cǎi）用鈦合金材料，裝配後的門框組件也比（bǐ）較容易（yì）修理。基於易受損的原因，門（mén）上部楣梁及其延伸段（duàn）和下部檻梁也選擇了鈦合（hé）金作為結構材（cái）料，如圖10所示。A350還將鈦合金用於機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火牆等。

圖10 A350登機門（mén）口框結構

3.3鈦合金在（zài）龐巴迪C係列（CS100和CS300型）飛機上的應用

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

圖11 C係列飛機材料使用情況

C係列也在機（jī）身關鍵（jiàn）位置采用了鈦合金，如發動機吊掛、平尾懸掛接頭等，中機身後梁框采用了鈦合金Ti－6AlV4V。鈦合（hé）金後梁框與複合材料中央翼盒相容性好，更重要的是（shì）將鋁鋰合金後梁框更改為鈦合金後梁框後，不僅提高了材料（liào）的耐腐蝕性和疲勞（láo）性能，根據（jù）計算還能夠減重約20kg，這是一個非常可觀的數據（jù）。在（zài）鋁鋰合金中後機身（shēn）和複（fù）合材料後機身的界麵（miàn）中，采用（yòng）了鈦合金連接角材與後部複合（hé）材料壓力隔框進行連接，以避免電（diàn）化腐蝕現象（xiàng）的發生，並提（tí）高疲勞壽（shòu）命（mìng）。

根據高溫區需要，C係列APU防火牆采用純鈦（tài）薄板，尾錐對（duì）接框采（cǎi）用Ti－6Al－4V厚板機（jī）加結構；航燈整流罩（zhào）、進氣道穩壓室、APU消音器等也采（cǎi）用了鈦合金；考慮強度、剛度（dù）和耐衝擊性，一些重要的（de）接頭和艙門擋塊等普遍選擇（zé）了鈦合金材（cái）料。鈦合金在C係列飛機（jī）尾錐上的應用如圖（tú）12所示。

圖12鈦合金（jīn）在C係列尾錐上（shàng）的應用

3.4鈦合金緊（jǐn）固（gù）件在複合材料結構中的應用

隨著現代飛機（jī）複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（jī）性能、環境、結構等多種（zhǒng）因素的影響。對（duì）於複合材料結構，其緊固件（jiàn）材料的選擇主要從（cóng）電位和比強（qiáng）度進行考慮。從電位來（lái）講（jiǎng），複合（hé）材料緊固件是最適合的，但其（qí）難以滿足高強度、抗疲勞等性能要求，一般隻能用於特殊部位；其次是不鏽鋼，但其（qí）比強度較低，也不適合大量采用。兼顧高比（bǐ）強度和低（dī）電位差（chà），鈦合金（jīn）成為複合材（cái）料結構用緊固件的最佳材（cái）料，無論是鉚釘，還是螺栓（shuān）、單麵緊固件（jiàn）等，都大量采用（yòng）鈦合金材料。通常，對於複合材料的機械連（lián）接（包括螺接和鉚接），螺接類緊固件材料常選用Ti－6Al－4V；鉚接（jiē）類緊固件材料常選用純鈦和鈦铌（ní）合金（55Ti－45Cb），原因是其能防止電偶腐（fǔ）蝕和具有高的比強度（dù），鉚接性能（延展性）也較好。

4結束語

隨著複合材料逐漸成為民用（yòng）飛機機體的（de）主要材料，鈦合金在民用飛機上（shàng）應用的百分（fèn）比也逐漸增（zēng）加，鈦合金材料應用麵（miàn）臨著前所未有的機遇。除了傳統部位（wèi），如吊掛、起落架等（děng）結構外，也逐漸應用於大（dà）開口加強結構、座椅滑軌、APU防火牆等部位，尤其是機身、機翼上重（chóng）要的接頭（tóu）零件和界（jiè）麵零件，鈦合金的使用範圍（wéi）在不斷地擴大。

由於鈦合金的固有屬性，導致其成本高、加工和成（chéng）型相對困難，使其在（zài）大量應用方麵麵臨著較大的挑戰。研發和利用綜合高性能（néng）的（de）鈦合金（jīn）材料，提高鈦合金加工與（yǔ）製造工藝，是現代民用飛機的發展趨勢。

作者：張寶柱，孫潔（jié）瓊中航沈飛民（mín）用飛機有限責任公司工程研發中心

來（lái）源（yuán）：《航空工程進展》雜誌