民用（yòng）飛機機體結構通常采用鈦合金以實現結構減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當代先進的民用（yòng）飛機普遍提（tí）高了鈦合（hé）金的用量。從鈦合金的（de）特點（diǎn）及（jí）其應用優勢出發，介紹了鈦合金在先進民用飛機機體結（jié）構中的應用現狀並（bìng）分析原因，總結並提出（chū）了鈦合金在民（mín）用飛機機體結構上應用的機遇和挑（tiāo）戰，為我國民用飛機的研（yán）發和（hé）發展提供（gòng）參考和借鑒（jiàn）。

0、引言

鈦合金以其高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，在航空領域得到了廣泛的應用。隨（suí）著先進複合材料（liào）在民用飛機上用量的逐（zhú）漸增加（jiā），鈦合金與複合（hé）材料相容性好的特（tè）點（diǎn）使其具有了（le）更大的優勢，其在（zài）民用飛機機（jī）體結構的用（yòng）量也在（zài）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（hé）14%，充分體現了鈦合（hé）金在現代民用飛機設計領（lǐng）域的重要性和不可替代（dài）性。

我國民用飛機設計起點較低、發展較慢，鈦合金（jīn）在機體上的應用還有待進一（yī）步提高。為（wéi）提升（shēng）我國民用（yòng）飛機上鈦合金的使用（yòng）量，發揮鈦合金的優（yōu）勢，進而提高（gāo）飛機性能（néng），實現減重和優化，本文對鈦合金的性（xìng）能特點、應用優勢及其（qí）在現代先進民用飛機上的應用（yòng）現狀進行分析和研究（jiū），總結鈦合金應用的機遇和麵臨的挑戰，為我國民用（yòng）飛機的研製和發展提供參考和借鑒，具有（yǒu）較高的實際指導意義。

1、鈦合金（jīn）的主要性能特點

鈦合金是一種重量輕（qīng）、耐腐（fǔ）蝕的結構材料（liào），比強度高；具有較高的熔點，約為1 690°C；彈性（xìng）模（mó）量相對（duì）較低，可以通過合金（jīn）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（zhàng）係數比鋼低，比鋁合（hé）金的（de）50%還低，熱傳導率（lǜ）低；無磁性。高溫時，與其（qí）他材料具有很好的化學相容性；優越的耐腐蝕和抗氧化能力，能夠降低飛機（jī）的運營和維護成本。

製（zhì）約鈦合（hé）金（jīn）應用的主要問題是其密度比鋁（lǚ）合金（jīn）大、成本也相對較高（大約是鋁或鋼的7倍）。

2、鈦（tài）合金的（de）應用優勢

民用飛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合成本的高低。鈦合金比（bǐ）同（tóng）等強度的鋼的密度低40%，用鈦合金代替鋼和鎳基合金甚至（zhì）高強度鋼時，能夠大量減（jiǎn）重。例如，在某些情況，用鈦合金Ti－6Al－4V代替鋼用於發動機風扇、壓氣機盤及葉片等可減重30%；用（yòng）Ti－10V－2Fe－3Al代替30CrMnSiA鋼，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（tài）合金結構應用廣泛，例如A300、A310／320的前（qián）緣縫翼收放機構外罩，可減重10%；A330、A340機翼（yì）檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機構等減重達到46%，經濟效益顯著。

民用飛機機體結構使用鈦（tài）合金的另一優勢是突破體積限（xiàn）製（zhì）。當結構（gòu）載荷比較高、采用鋁合金又受到結構空（kōng）間限製時，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（cháng）大的鈦合金鍛件以降低結（jié）構體（tǐ）積，例如波音757和747的起落架梁。起落架是連接（jiē）起落架梁和機翼後梁之間的部件，雖然（rán）鋁合金成本低，可以作（zuò）為（wéi）備選材料，但是由於操穩載（zǎi）荷高，鋁合（hé）金需要做得非常（cháng）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（de）一大優勢。傳統鋁合金僅能適用於130～150℃，在高（gāo）溫區域，采用鈦合金更（gèng）適宜，可以（yǐ）提高結構效率。鋼和鎳基（jī）合金也可以選用，但是這兩種材料密度都比（bǐ）鈦合金大。發動機（jī）支持結構，如B787吊掛結（jié）構（gòu）和輔助動力裝置（APU）區域等，將溫度作（zuò）為設計（jì）的主要考慮因素。

鈦合金具（jù）有優良的耐腐蝕性，使其在腐蝕嚴重區域得以大量應用。實際上鈦合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，如位於廚房和盥洗室下的地板支持結構，鈦（tài）合金可取代鋁合金（jīn）用於連接座椅和地板。

隨著碳纖維複合材料（CFRP）的廣泛使用，鈦合金與碳纖維複合材料相容性好的特點成為其大量使用的重（chóng）要原因（yīn）。鋁合金（jīn）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，盡管可以采取（qǔ）增加玻（bō）璃（lí）布等保護措（cuò）施來隔離鋁合金和碳纖維，但表麵塗（tú）層的任何破損都將導致鋁合金的快（kuài）速腐蝕。對於關鍵結構，很（hěn）難檢查或替換，為避免電化學腐蝕的出現，應優先選（xuǎn）用鈦合金。鈦合金的這一特性，也使其在鋁合金與複合材料結構之（zhī）間的界（jiè）麵中，得到大量應用。與鋁合金相比（bǐ），鈦（tài）合金能夠提高結（jié）構（gòu）壽命60%。而且其熱膨脹係數低，當與CFRP結構連接在（zài）一起時，能夠降低高（gāo）熱載（zǎi）。

3、鈦合金在典型（xíng）民用飛機機體結構（gòu）上（shàng）的應用

3.1鈦合金在波（bō）音係（xì）列飛機上的應用

鈦（tài）合金在波音係列飛機上（shàng）的應用，是隨著鋁合金和鋼用（yòng）量的減少而逐步（bù）增加的，B777飛機鈦合金的用量為7%，由於複合材料的全麵使（shǐ）用，鈦合（hé）金在（zài）B787飛機上的用量達到了創紀錄的15%，這標誌著鈦（tài）合金在現代複合材（cái）料民用飛機（jī）中（zhōng）的重要作用逐漸顯現（xiàn）出來。波音係（xì）列飛機材料比例如（rú）圖1所（suǒ）示，鈦合（hé）金的應用比例隨著每一個重要商業飛機的產生而增加。

圖1波音係（xì）列飛機材料比例

3.1.1鈦合金在B777上的應用

在B777上，鈦合金主要應用於早期CFRP結構，來避免采用鋁合金造成（chéng）的電化腐蝕（shí），大幅度提高了飛（fēi）機的損傷容限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦合（hé）金應用於B777的主（zhǔ）起落架轉向架梁上，單個鈦合金鍛件（jiàn）重量當時（shí）達到了最（zuì）大。這一設計減重幅度非常大，與高強度鋼的起落架（jià）部件相連接，沒有產生（shēng）典（diǎn）型的腐蝕（shí）和表（biǎo）麵損壞。另（lìng）一（yī）個主要進步是，B777選（xuǎn）擇（zé）了β－21S鈦合（hé）金用於（yú）發動機（jī）塞、整流（liú）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（tài）合金在B787上的應用

鈦（tài）合金在（zài）B787上的使用比（bǐ）例為破紀錄的15%。一方麵是（shì）傳統（tǒng）部位的采用，如吊掛、起（qǐ）落架結構（gòu）等；另（lìng）一方麵，由於B787飛機複合材料用量的大幅增加以及鈦合金與複材相容（róng）性好的特點，鈦合（hé）金（jīn）在某些部位也取代了鋁合金。

吊掛是飛機的關鍵部件，B787在其吊掛結構上采用了新型的Ti－5Al－5V－5Mo－3Cr近β型合（hé）金（jīn），具有較高（gāo）的強度，靜強度（dù）優於傳統（tǒng）的Ti－6Al－4V，主要應用於比較重要的上連杆（gǎn）和吊掛接頭結構，側連杆則采用（yòng）了普通（tōng）的（de）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（diào）掛結構上的應用如（rú）圖2所（suǒ）示。

圖2鈦合（hé）金在B787吊掛結構上的（de）應用

B787機身（shēn）為全複合材料（liào）結構，包括（kuò）機（jī）身蒙皮、長桁、普通框和剪切角片（piàn）等（děng）。而在（zài）載荷複雜（zá）的中機身，所有側邊框包括前後（hòu）壓力隔框都普（pǔ）遍采用鈦合金結構以承受高載（zǎi），B787中機身（shēn）框結構如圖3所示。

圖3 B787中機身框結構（gòu）

B787大開（kāi）口加強結構中的加強框，采用了Ti－6Al－4V杆狀鍛（duàn）件機（jī）加（jiā）結構。相比（bǐ）於複合材料框，鈦合金具有（yǒu）良（liáng）好的抗衝擊性，可以避免旅客、貨物對門框意外撞擊造成損（sǔn）傷。相比於鋁合金，鈦合金不僅與複合材料機身壁板具有很好的（de）相容（róng）性，結構效率也要高（gāo）出很多，能夠更好的對大開口（kǒu）進行加強，並在一定程度上降低結構高度，節省內部空間。為避（bì）免腐蝕（shí），B787座椅滑軌也采用了鈦合金擠壓型材。

B787的其他關鍵部位，尤其是與複合材料外（wài）翼前後梁連接的各類（lèi）接頭，普遍采用了鈦（tài）合金。包括與發動機吊掛連接的（de）接頭、與主起落架連接接頭，襟翼滑軌接頭、機翼梁接頭等，部分接頭零件（jiàn）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

鈦合金在空客係（xì）列飛機上的使用量一直比較穩定（dìng），低於鋼的用量。隨著複合材料用量（liàng）的逐漸增加，鋼的用量（liàng）逐漸減少，在A350飛機上複合材料用量達（dá）到（dào）了（le）52%，鈦合金也超過了鋼（gāng）的用量，達到了14%，如圖5所示（shì）。

圖5 空客係列飛機結構材料的比例

3.2.1鈦合金在（zài）A380飛機上的應用

A380是目前世界上最大的民用飛（fēi）機，以鋁合（hé）金為主要材料。A380的選材和設（shè）計代表著先進民用飛機選（xuǎn）材和設計的趨（qū）勢。相較於以往（wǎng）機（jī）型，A380鈦（tài）合金的使用比例沒有明顯增加，但由於機（jī）身整體重量大（dà），鈦合金的總（zǒng）用量是相（xiàng）當大的。在機（jī）身的關鍵（jiàn）部位，都采用了鈦合金，尤（yóu）其是重要的連接位置。A380飛機鈦合金分布情況如（rú）圖6所示，主起落架采（cǎi）用Ti－10V－2Fe－3Al，每件重量達3 120kg。

圖6 鈦合金在A380飛機上的（de）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（de）主要結（jié）構。主要采用最常用的鈦合（hé）金Ti－6Al－4V，如圖7所示，其在β退火狀（zhuàng）態（tài）下具有最（zuì）大的斷裂韌性和最小的裂紋增長速（sù）度，使得吊掛的疲勞性能得到（dào）較大（dà）改善。

圖7鈦（tài）合金（jīn）在A380吊掛結構上的應用

此外，在A380上第一次（cì）采用了新型鈦合金VST55531，這種（zhǒng）新的鈦合金是空中客車公司與俄羅斯製造商共同研發的，能夠（gòu）為設計者提供良好（hǎo）的斷裂韌性和較高強度的綜合（hé）性能匹配。該合金目前用於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（jī）上（shàng）的應用

A350XWB是目前世界上除B787以外應用複合（hé）材料最多的機型。由於鈦合金與複合材（cái）料良好（hǎo）的相容性，鈦合金（jīn）的用（yòng）量往往隨著複合材料用量的增加而增加。2005年，A350計劃采用40%的複合材料（liào）和9%的鈦合金；2007年，迫於B787的壓力，A350XWB將複合材料用量增加到了52%，相應地（dì），鈦（tài）合金的用（yòng）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（tú）8 A350（XWB）鈦合金（jīn）用量隨複合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛（fēi）機將鈦合金應用於吊掛主結構，並增加了起落架結構鈦合金（jīn）的用量，在活塞、轉向架（jià）、扭力臂和側撐杆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（hǎo）的（de）耐高溫、耐腐蝕性能，采用鈦合金（jīn）實現了減（jiǎn）重，提供了較高的可靠性和較低的（de）維護費用。

圖9 鈦（tài）合金在A350XWB吊掛與起落架上的應（yīng）用

由於（yú）大範圍使用複合材料，而鈦合金與複合材料的（de）相容性比（bǐ）鋁合金好，在（zài）A350XWB飛機上，鈦合金在很多結構上代替（tì）了傳統鋁合金，典型的如門加強框（kuàng）。空客認（rèn）為，選擇鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接（jiē）件，如門擋塊，這些連接件在安裝後可能仍需調整才能達到（dào）正確的位置，裝配中（zhōng）易產生劃痕和錯誤的鑽孔，鈦（tài）合金對於這些損傷的敏感度比複合材料低得多。同樣，采用鈦（tài）合金材料，裝（zhuāng）配（pèi）後的門框（kuàng）組件也比較容（róng）易修理。基於易受損的原因，門上部楣梁及其延伸段和下部檻梁也選擇了鈦合金（jīn）作為結（jié）構材料，如圖（tú）10所示。A350還（hái）將（jiāng）鈦（tài）合金用於機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火牆等。

圖10 A350登機門口框結構

3.3鈦合金在龐巴迪（dí）C係列（CS100和CS300型（xíng））飛機上的應用（yòng）

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

圖11 C係列（liè）飛機材料使（shǐ）用情況

C係（xì）列也在機身（shēn）關鍵位置采用了（le）鈦合金，如發動機吊掛、平尾（wěi）懸掛接頭（tóu）等，中機身後梁框采用了鈦合金Ti－6AlV4V。鈦合金（jīn）後梁框與複（fù）合材料（liào）中央翼（yì）盒相容性好，更重要的是將鋁鋰合金後梁框更改為鈦合金後梁框後，不（bú）僅提高了材料的耐腐蝕性和疲勞性能，根據計算還能夠（gòu）減重約20kg，這是一個非常可（kě）觀的數據。在（zài）鋁鋰合金中後機身和複合材料後機身的（de）界麵中，采用了（le）鈦合（hé）金連接角材與後部（bù）複（fù）合材料壓力隔框進行連接，以避（bì）免電化（huà）腐蝕現象的發生（shēng），並提高疲勞壽命。

根據高溫區需要，C係（xì）列APU防（fáng）火牆采用純鈦薄板，尾錐（zhuī）對接框采用Ti－6Al－4V厚板機加結構；航（háng）燈整（zhěng）流罩、進氣道穩壓室、APU消音器等也采用了鈦合金；考慮強度、剛（gāng）度和（hé）耐衝擊性，一些重要的接頭和艙門擋塊等普遍選擇了鈦合金（jīn）材料。鈦（tài）合金在C係列飛機尾錐上的應用如圖12所示。

圖12鈦合金在C係列尾錐上的應用

3.4鈦合（hé）金緊固件在複合材料（liào）結構中的應（yīng）用

隨著現代飛機複合材料用量的急劇增（zēng）加，鈦合金緊固件數量隨之大（dà）量增加。緊固件材料的選用受到飛機（jī）性能、環（huán）境、結構等多種因素的影響。對於複合材料結（jié）構，其緊固件材料的選擇主要從電位和比強度進（jìn）行考慮。從電位來講，複合材料（liào）緊固件是最（zuì）適合（hé）的，但（dàn）其難（nán）以滿足高強度、抗疲勞等性能要求，一般隻（zhī）能用於特殊部位；其次是不鏽鋼，但其比強度較低（dī），也不適合大量采（cǎi）用。兼顧高比強度和低（dī）電位差，鈦合金成為複（fù）合材料結構用緊（jǐn）固件的最佳材料，無論是鉚釘，還是（shì）螺栓、單麵緊固件等，都大量采用鈦合金材料。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（mǎo）接類緊固件材料常選（xuǎn）用純鈦和鈦（tài）铌合金（jīn）（55Ti－45Cb），原因是其能防止電（diàn）偶腐蝕（shí）和具有高的比強度，鉚（mǎo）接性能（延（yán）展性）也較好。

4結束語

隨著複合材料逐漸成為民用飛機機體的（de）主要材（cái）料，鈦合（hé）金在民用飛機（jī）上（shàng）應用的百分比也逐漸增加，鈦合（hé）金材（cái）料應用（yòng）麵臨著前所未有（yǒu）的機遇（yù）。除了傳統部位，如吊掛（guà）、起落架等結（jié）構外（wài），也逐漸應用（yòng）於大開口加強結構（gòu）、座椅滑軌、APU防火牆（qiáng）等部位，尤其是機身、機翼上重要的接頭零件和（hé）界麵零件，鈦合金的使用範圍（wéi）在不斷地（dì）擴大。

由於鈦合金的固有屬性，導致其成本高、加（jiā）工和成型相對（duì）困難，使其在大量應用方麵麵臨著（zhe）較大的挑戰。研發（fā）和利用綜合高性能的鈦合金材料，提高鈦合金加工與製（zhì）造工（gōng）藝（yì），是現代民用（yòng）飛機的發展趨勢。

作者（zhě）：張寶柱，孫潔瓊（qióng）中航（háng）沈飛民用飛（fēi）機有（yǒu）限（xiàn）責任公司工程研發中心

來源：《航空工程進展》雜誌