民用飛機機體結構通常采用鈦合金以實現結構減重、改善（shàn）疲勞壽命、提高（gāo）耐腐蝕性，當代先進的民用飛機普遍提（tí）高了鈦合金的用量。從鈦合金的（de）特點及其（qí）應用優勢出發，介紹了鈦（tài）合金在（zài）先進民用飛機機體結構中的應用（yòng）現狀並分析原因，總結（jié）並（bìng）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，為我國民用飛機的研發和發（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，在航空領域（yù）得到了廣泛的應用。隨著先進複（fù）合材料（liào）在民用飛（fēi）機上用量的逐漸增加，鈦合金與複合材料相容性好的特點使其具有了更大的優勢，其在民用（yòng）飛機機體結構的用量也在不斷提高（gāo）。以B787和A350為代表的最新一代民用飛機，鈦合金用量分別達（dá）到15%和14%，充（chōng）分體（tǐ）現了（le）鈦合金在現代民（mín）用飛機設計領域的重要性和不可替代性。

我國民用飛機設計起點較低（dī）、發展（zhǎn）較慢，鈦合金在（zài）機體上的應用還有（yǒu）待（dài）進一步提高。為提升我國（guó）民用（yòng）飛（fēi）機上鈦合金的使用量，發揮鈦合金的優勢，進而提高飛機性能，實現減重和優化（huà），本文對（duì）鈦合金的性能特點、應用（yòng）優勢及其在現代先進民用飛機上的應用現狀進行分析和研究，總結鈦合金應用的機遇和麵臨的挑戰，為我國民用飛機的研製和發（fā）展提供參考和借鑒，具有較高的實際指導意義（yì）。

1、鈦合（hé）金的主要性能特（tè）點

鈦合金是一種重量輕、耐腐蝕的結構（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（yǒu）很高的疲勞強度和斷裂韌性；很好的高溫性（xìng）能；熱性能好，熱膨脹（zhàng）係數比鋼低（dī），比鋁合金的50%還（hái）低，熱傳導率（lǜ）低；無磁性。高溫（wēn）時，與其他材料具有很好的（de）化學相（xiàng）容性；優越的耐腐蝕和抗氧化能力，能夠（gòu）降低飛機的運營和維護成本。

製約鈦合（hé）金應用的主要問（wèn）題是（shì）其密度比鋁（lǚ）合金大、成（chéng）本也相對較高（大約是鋁或鋼的7倍）。

2、鈦合（hé）金（jīn）的應用優勢

民用飛機上（shàng）大量應用鈦合金的一個重要推動力是結構減重，減重效果直接決定飛機（jī）綜合成本的高低。鈦（tài）合金（jīn）比同（tóng）等強度的（de）鋼的（de）密度低40%，用鈦合金代替鋼（gāng）和（hé）鎳（niè）基合金甚至高強度鋼時，能夠大量（liàng）減重。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、壓氣機盤及葉片等可減重30%；用（yòng）Ti－10V－2Fe－3Al代替30CrMnSiA鋼，零件可以減（jiǎn）重40%左右。采用超塑性成形及擴散聯接技術（SPF／DB）的鈦合金結構應用廣泛，例（lì）如A300、A310／320的（de）前緣縫翼（yì）收放機構外罩，可（kě）減（jiǎn）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（jīng）濟效益顯著。

民用飛機機體（tǐ）結構使用鈦合金的另一優勢是突破體（tǐ）積（jī）限（xiàn）製。當結構載荷比較高、采用鋁合金又受到結構空間限製時，強度較高的鈦合金成為較理想的材料。波音飛機上采用非常大的（de）鈦合金鍛（duàn）件以降低結構體積，例如波音（yīn）757和747的起（qǐ）落架梁。起（qǐ）落架是連接起落架梁和機（jī）翼後梁（liáng）之間的部件，雖然鋁合金成本低，可（kě）以作為備選材料，但是由於操穩載荷高，鋁合金需要做得非常大而難以包在機翼內，故選用鈦（tài）合金（jīn）則更為適（shì）合。

較（jiào）高的工作溫度也是鈦合金的一大優勢。傳統鋁合（hé）金僅能適用於130～150℃，在高溫（wēn）區域，采用鈦合金更適（shì）宜（yí），可以提高結構效率。鋼和鎳基合金（jīn）也可以選用，但是這兩種材料密度都比鈦合金大。發動（dòng）機支持結構，如B787吊掛結構和輔（fǔ）助動力裝置（APU）區域等，將溫度作為設計（jì）的主要考（kǎo）慮因素。

鈦合金具有優良的耐腐（fǔ）蝕性，使（shǐ）其在腐蝕嚴重區域（yù）得以大量應用。實際上鈦合金在民用飛機運營環境中，幾乎不會發生腐蝕現象。在易腐蝕區域，如位於廚房和盥洗室下的（de）地板支持結構，鈦合金可取代鋁合金用（yòng）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（tàn）纖維複合材料相容（róng）性好的特點成為其大量使用的重要原因。鋁合（hé）金和CFRP之間（jiān）存（cún）在有較大的電位差，將導致嚴重的（de）電化學腐蝕，盡管可以采取增加玻璃布等保護措施來隔離鋁合金和碳（tàn）纖（xiān）維，但表麵塗層的任何破損都將導致鋁合金的快速腐蝕。對於關鍵結構（gòu），很難檢（jiǎn）查或替換，為避免電化學腐蝕的出現，應優先選用鈦合金。鈦合金的這（zhè）一特性，也使其在鋁合金與複合材料結構之間的界麵中，得到大量應用。與鋁合金相比，鈦合金（jīn）能（néng）夠提高結構壽命60%。而且其熱膨脹係（xì）數低，當與CFRP結構連接在一起時，能夠降低高熱載。

3、鈦合（hé）金（jīn）在典型（xíng）民用飛機機體（tǐ）結構上的應用

3.1鈦合金在波音係列（liè）飛機上的應用

鈦合金在（zài）波音係列飛機上的應用，是隨（suí）著鋁合金和鋼用量的減少而逐步增（zēng）加的，B777飛機鈦合金的用量（liàng）為7%，由於複合材料的全麵使用，鈦合金在B787飛機上的用量達（dá）到了創紀錄的15%，這標誌著鈦合金在現代複合（hé）材料民用飛機中的重要作用（yòng）逐漸顯現出來。波（bō）音（yīn）係列飛機材料比（bǐ）例如圖1所示，鈦合金的應用比例（lì）隨著每一個重要商業飛機的產生而增加。

圖1波音係列飛機材料比例

3.1.1鈦（tài）合金在B777上的（de）應用

在B777上（shàng），鈦合金（jīn）主要應用（yòng）於早期CFRP結構，來避免采用鋁合金造成的電化腐蝕，大幅度提（tí）高了飛機的損傷容限（xiàn）。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金應用於B777的主起落架轉向架梁上，單個鈦合金鍛件重量當時（shí）達（dá）到了最大（dà）。這一設計減重幅度非常大，與高（gāo）強度鋼的起落架（jià）部（bù）件相連接，沒有產生典型的腐蝕和表麵損壞（huài）。另一個主要進步是，B777選擇了β－21S鈦（tài）合金用於發動機塞、整流罩和噴嘴等熱（rè）結構，其（qí）高抗氧（yǎng）化性大幅度降低了排（pái）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（wéi）破紀錄的15%。一方麵（miàn）是傳統部位的采用，如吊掛、起落架結構等；另一方麵，由於B787飛（fēi）機複合材料用量的大幅增加以及鈦合金與複材相容性好的特點，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金。

吊掛是飛機的（de）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型合金，具有較高的（de）強度，靜強度優於傳統的Ti－6Al－4V，主要（yào）應用於比較重要的上連杆（gǎn）和吊掛接（jiē）頭結構，側連杆則采用了普通的Ti－6Al－4V，既滿（mǎn）足傳力要求，又能滿足運營溫度要求。鈦（tài）合金（jīn）在（zài）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機身為全複合材（cái）料結構，包括機身蒙皮、長桁、普通框和剪切（qiē）角片等。而在（zài）載（zǎi）荷複雜的中機身，所有側邊框（kuàng）包括（kuò）前後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大開口加強結構中的（de）加強框，采用了Ti－6Al－4V杆狀鍛件機加結構。相比於複合材料（liào）框，鈦合金具有良好（hǎo）的抗衝擊性，可以避免旅客（kè）、貨物對門框意外撞擊（jī）造成損傷。相比於鋁合金，鈦合金不僅與複合材料機身壁板具（jù）有（yǒu）很好的相容性，結構效率也要高出很多，能（néng）夠更好的（de）對大開口進行加強，並在一定程度上降低結構（gòu）高度（dù），節省內部空間。為避免腐蝕，B787座椅滑軌也采用了鈦合（hé）金擠（jǐ）壓型材。

B787的其（qí）他關鍵部位，尤其是與複合材料外翼前後梁連接的各類接頭，普遍采用了鈦合金。包（bāo）括與發動機吊（diào）掛連接的接頭、與主起落架連接接（jiē）頭，襟翼滑軌接頭、機翼梁接頭等，部分接頭零件的選材情況（kuàng）如圖4所示。

圖4與B787機翼連接（jiē）的部分鈦合金接頭

3.2鈦合金在空客飛機上的應用

鈦合金在空客係列飛機上的使用量（liàng）一直比較（jiào）穩定，低於鋼的用量。隨著複合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減（jiǎn）少，在A350飛機上複合材（cái）料用量達到（dào）了52%，鈦合金也（yě）超過了鋼的用量，達到了14%，如圖5所示。

圖5 空客係列飛機結（jié）構材料的比（bǐ）例

3.2.1鈦合金在A380飛機上的應用

A380是目前世界上最大的民（mín）用（yòng）飛機，以鋁合金為主要材（cái）料。A380的選材和設計代（dài）表著先進民用飛機（jī）選材和設計的趨勢。相較於以往機型，A380鈦合金的使用比例沒有明顯增加，但由於機身整體重量（liàng）大，鈦合（hé）金的總用量是相當大的。在機身的關鍵部位，都采用了鈦合金，尤其（qí）是重要的連接位（wèi）置。A380飛機鈦合金分（fèn）布情（qíng）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（cǎi）用全鈦設計（jì）了（le）A380吊掛的主要結構（gòu）。主要（yào）采用最（zuì）常用的鈦（tài）合金Ti－6Al－4V，如圖7所示（shì），其在β退火狀態下具有（yǒu）最大的斷裂（liè）韌性和最（zuì）小的裂紋增長速度，使（shǐ）得吊掛的疲勞性能得（dé）到較大改善。

圖7鈦（tài）合金在A380吊（diào）掛結構上（shàng）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（hé）金是空中客車公司與俄（é）羅斯製造商共（gòng）同研發的，能夠為設計者提供（gòng）良好（hǎo）的斷裂韌性和較高（gāo）強度的綜合性能匹配。該合金目前用於A380飛機機翼和掛（guà）架之間的連接件，進一步的應用還在研究之中。

3.2.2鈦（tài）合金在A350XWB飛機上的應用

A350XWB是目前世界上除B787以外應（yīng）用（yòng）複合材（cái）料最多的機型。由於鈦合金與複合材料良好的相容性，鈦合金的用量往往隨著複合材（cái）料用量的增加（jiā）而增加。2005年，A350計劃采用40%的複合材料和9%的鈦（tài）合金；2007年，迫（pò）於B787的壓力（lì），A350XWB將複合材料（liào）用量增加到了52%，相應地，鈦合金的用量也增加到（dào）了（le）14%，如圖8所示，兩種材（cái）料的百分比基本與B787持平。

圖8 A350（XWB）鈦合金（jīn）用量隨複合（hé）材料用（yòng）量的變化

與A380相似（sì），A350XWB飛機將鈦合金應用於吊（diào）掛主結構，並增（zēng）加了起落架結構鈦（tài）合金的用量，在活塞、轉（zhuǎn）向架、扭力臂和側撐杆等部位也都采用（yòng）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（tài）合金實現了減重，提供（gòng）了較高的可靠性和較低的維（wéi）護（hù）費用。

圖（tú）9 鈦合金在A350XWB吊掛與起落架上的應用（yòng）

由於大範圍使用複合（hé）材料，而（ér）鈦合金與複合材料（liào）的相容性比鋁合金好，在A350XWB飛機上，鈦合金在很多（duō）結構上代替了傳統鋁合金，典（diǎn）型的如門加強框。空客認為，選擇鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接件，如門（mén）擋塊，這些連接件在安裝後可能（néng）仍需調整才能達到（dào）正（zhèng）確的（de）位置，裝（zhuāng）配中易產生劃痕和錯誤的鑽孔，鈦合金（jīn）對於這些（xiē）損傷的（de）敏感度比複合材料低（dī）得多。同樣，采用鈦（tài）合金材料，裝配後的門框組件也比較容易修理。基於易受（shòu）損的原因，門上部楣梁（liáng）及其延伸段和下部檻梁也選擇（zé）了鈦合金作（zuò）為結構材料，如圖10所示。A350還將鈦（tài）合金用於機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙（cāng）防火牆等。

圖10 A350登機門（mén）口框結構（gòu）

3.3鈦（tài）合金在龐巴迪C係列（liè）（CS100和CS300型）飛機上的應用

作為即將服役的新（xīn）機，C係列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所示（shì）。

圖11 C係列飛機材料使用情況

C係列也在（zài）機（jī）身關（guān）鍵位置采用了鈦合金，如發動機吊（diào）掛、平尾懸掛接頭等，中機（jī）身（shēn）後梁框采用了鈦（tài）合（hé）金Ti－6AlV4V。鈦合金後梁框與複（fù）合材料中央翼盒相容性好，更重要的是將鋁鋰合（hé）金後梁框更改為鈦合（hé）金後（hòu）梁框後，不僅（jǐn）提（tí）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，這是一個非（fēi）常可觀的數據。在鋁鋰（lǐ）合金中（zhōng）後機身（shēn）和複合材料後機身的界（jiè）麵中，采用了鈦合金連接角材與後部複合材料壓（yā）力隔框進行連（lián）接，以避（bì）免電化腐蝕（shí）現象的發生，並提高疲勞壽命。

根據高溫區需要，C係列APU防火牆采用純鈦薄板（bǎn），尾錐對接（jiē）框（kuàng）采用Ti－6Al－4V厚板（bǎn）機加結構（gòu）；航燈整流罩、進氣道穩壓室、APU消音器等也采用了鈦合金；考慮強度、剛度和耐衝擊性，一些（xiē）重要的接頭和艙門擋塊等普遍（biàn）選擇了鈦合金材料。鈦合金在C係列飛機尾錐（zhuī）上的應用如圖12所示。

圖（tú）12鈦合金在C係列（liè）尾錐上的應用

3.4鈦合金緊固件在複合材料結構中的應用

隨著現代飛機複合材料用量的急劇增加，鈦合金緊固件（jiàn）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、結構等多種因素的影響。對於複合材（cái）料結構，其緊固件材料的選擇主要從電位和比強度進行考慮（lǜ）。從電位來講，複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（yào）求（qiú），一般隻能用於特殊部位；其次是不鏽（xiù）鋼，但其比強度較低，也不適合大量（liàng）采用。兼顧高比強度和（hé）低電位差，鈦合金成為複（fù）合材料結構用緊固件的最佳材料，無論是鉚（mǎo）釘，還是螺（luó）栓、單麵緊固件等，都大量采用鈦合金材料。通常，對於（yú）複（fù）合材料的機械（xiè）連接（包括螺接和鉚接），螺（luó）接類緊固件材料（liào）常選用（yòng）Ti－6Al－4V；鉚接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蝕和具有高的比強度，鉚接（jiē）性能（延展（zhǎn）性）也較好。

4結束語

隨著複合材料逐漸成為（wéi）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（jiàn）增加，鈦合金材料應用（yòng）麵臨著前所（suǒ）未有的機遇。除了傳統部位，如吊掛、起落架等結構外，也逐漸應用於大開口加強結構、座（zuò）椅滑（huá）軌、APU防火牆等部位，尤其是機身、機翼上重要的接頭（tóu）零件（jiàn）和界麵零件（jiàn），鈦合金的（de）使用範圍在不斷地擴大。

由於鈦合金的（de）固有屬性，導（dǎo）致（zhì）其成本高、加工和成型相對困難，使其在大量應用（yòng）方麵麵臨著較大的（de）挑戰。研發和利（lì）用綜合高性能的鈦合（hé）金（jīn）材料，提高鈦合金加工與製造工藝，是現代民用飛機的發展趨勢。

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

來源：《航空工程進（jìn）展》雜誌