民用（yòng）飛機機體結（jié）構通常采用（yòng）鈦合金以（yǐ）實現結構（gòu）減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當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用優勢出（chū）發，介紹了鈦合金在先進民用飛機機體結構中的應（yīng）用現狀（zhuàng）並分析原因，總結並提出（chū）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（yòng）飛機的研發和發展提供參考和借鑒。

0、引言

鈦合金以（yǐ）其高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，在（zài）航空領域得到了（le）廣泛的應用。隨著先進複合材料在民用（yòng）飛機上用量的逐漸增加（jiā），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，其在民用飛機機體結構的（de）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（yòng）量分別（bié）達到15%和14%，充（chōng）分體現了（le）鈦合金在現代民用飛機設計領域的重要性和不可替代性（xìng）。

我國民用飛機設計（jì）起點較低、發展較（jiào）慢，鈦合（hé）金在機體上的應用還有待進一步提高。為提升我國民用飛機上鈦合（hé）金的（de）使用量，發揮鈦合金的優勢，進而提（tí）高飛機性（xìng）能，實現減重和優化，本文對鈦合金的性能特點、應用優勢及其在現代（dài）先（xiān）進民用飛（fēi）機上的應（yīng）用現狀進行分析和研究，總結鈦合金應用的機遇和麵臨的（de）挑戰，為我國民用飛機的研製和發展提供參考和借鑒，具有較高的實際指導意義。

1、鈦合金（jīn）的主（zhǔ）要性能特點（diǎn）

鈦合金是一（yī）種重（chóng）量輕、耐腐蝕的（de）結構材料，比強度（dù）高；具有較高（gāo）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（hé）斷裂韌性；很好（hǎo）的高溫性能；熱性能好（hǎo），熱膨脹係數比鋼低，比鋁合金的50%還低，熱傳導率低；無（wú）磁性。高溫時，與其他材料具（jù）有很好的化學相容性；優越的耐腐蝕和抗氧（yǎng）化能力，能夠降低飛（fēi）機的運營和維護成（chéng）本。

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

2、鈦（tài）合金的應用優勢（shì）

民（mín）用飛機上大量（liàng）應用鈦合金的一個重要推動力是結構減重，減重效（xiào）果（guǒ）直接決定飛（fēi）機綜合成本的（de）高低。鈦合金比同等強度的鋼（gāng）的密度低40%，用（yòng）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（zài）某些情況，用鈦合金Ti－6Al－4V代替鋼用於發動機風扇、壓氣（qì）機盤及葉片等可減重30%；用Ti－10V－2Fe－3Al代替（tì）30CrMnSiA鋼，零件可（kě）以減重40%左右。采（cǎi）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，例如A300、A310／320的前緣縫翼收放機構外罩，可減重（chóng）10%；A330、A340機翼（yì）檢修口蓋、駕駛艙（cāng）頂蓋（gài）、縫緣傳動機構（gòu）等減重達到46%，經濟效益顯著。

民用飛機機體結構（gòu）使用（yòng）鈦合金的另一優勢是突破體積（jī）限製（zhì）。當結構載荷比較高（gāo）、采用鋁合金又受到結構空間限（xiàn）製時，強度較高的鈦合金成（chéng）為較理想的材料。波音飛（fēi）機上采用（yòng）非常大的鈦合金鍛（duàn）件以降低結構體積（jī），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（de）部件，雖然鋁合金成本低，可以作為（wéi）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（yì）內，故選用鈦合金則更為適合。

較高（gāo）的工作溫度也是鈦合金的一大優勢。傳統鋁合金僅能適用於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（liào）密（mì）度都比鈦合金大。發動機支持結構（gòu），如B787吊（diào）掛（guà）結構和輔助動力裝置（APU）區域（yù）等，將溫度（dù）作為設計的主要考（kǎo）慮因素。

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

隨著碳纖維複合材料（liào）（CFRP）的廣泛使用，鈦合金與碳纖維複（fù）合材料相容性好的特（tè）點成為其（qí）大量使用的重要原因。鋁合金和CFRP之間存（cún）在有較大的電位差，將導（dǎo）致嚴（yán）重（chóng）的電化學腐蝕，盡管可以采取增加玻璃（lí）布等保（bǎo）護措施來隔離鋁合金和碳纖維，但表麵塗層的任（rèn）何破損（sǔn）都將導（dǎo）致鋁合金的快速腐蝕。對於關鍵結構，很難檢（jiǎn）查或替換，為（wéi）避免電化學腐蝕的（de）出現，應優先選用（yòng）鈦（tài）合（hé）金。鈦合（hé）金的這（zhè）一特（tè）性，也使其在鋁合金與（yǔ）複合（hé）材料結（jié）構之間的界（jiè）麵中，得到大量應用。與（yǔ）鋁合金（jīn）相比，鈦合金能夠（gòu）提高結構壽命60%。而且（qiě）其熱膨脹係數低，當與CFRP結構連（lián）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（tǐ）結構上的應用

3.1鈦（tài）合金在波音係列飛機上的應用

鈦合金在波音係（xì）列飛機上的應用，是（shì）隨著鋁合金和鋼（gāng）用（yòng）量的減少而（ér）逐步增（zēng）加的，B777飛機鈦合金的用量為7%，由（yóu）於複合材料的全麵使用，鈦合金（jīn）在（zài）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材料（liào）民用飛（fēi）機中的重要（yào）作用（yòng）逐漸顯現出來。波音係列飛機材料比（bǐ）例如圖（tú）1所示，鈦合金的應用（yòng）比例隨著每一（yī）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鈦合金在B777上（shàng）的應用

在B777上，鈦合金主要應用於早期CFRP結構（gòu），來避免采用鋁合金造（zào）成的電化腐蝕，大幅（fú）度提高了飛機的損傷容限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金應用於（yú）B777的主起落架轉向架梁（liáng）上（shàng），單個鈦合（hé）金鍛件重量當時（shí）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，沒有產生典型的腐蝕和表麵損壞。另一個主要（yào）進步是，B777選擇了β－21S鈦合金用於發動機塞、整（zhěng）流罩和（hé）噴嘴等熱結構，其高抗氧化性大幅度降低了排氣（qì）部件的重量。

3.1.2鈦合金在B787上的應用

鈦合金在（zài）B787上的使用比例為破紀錄的15%。一方麵是傳統部位的采用，如吊掛、起落架結構等；另一方麵，由（yóu）於（yú）B787飛（fēi）機複合（hé）材料用量的大幅增加（jiā）以及鈦合金與複材（cái）相容性好的特點，鈦合金在某些部位也（yě）取代（dài）了（le）鋁（lǚ）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（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（yú）傳統的（de）Ti－6Al－4V，主要應用於比較重要的上連杆和吊掛（guà）接頭結構（gòu），側連杆則采用了普通的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（diào）掛結構上的應用如圖2所示。

圖（tú）2鈦合金在（zài）B787吊掛結構上的應用

B787機身為全複（fù）合（hé）材料結構，包括機身（shēn）蒙皮、長桁、普通框和剪切角片等。而在載荷複（fù）雜的中機身（shēn），所有側邊框包括前後壓力隔框都普遍采用鈦合金結構以承受（shòu）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（dà）開口加強結構中的加強框，采用了Ti－6Al－4V杆狀鍛件機加結構。相比於複合材料框，鈦合金具有良好的抗衝擊性（xìng），可以避免旅客、貨物對門框意外撞擊（jī）造成損傷。相比於（yú）鋁合金，鈦合金不僅與複合材（cái）料機身壁板具有很好的（de）相容性，結構效（xiào）率也要高出很多，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（gāo）度，節省內部空間。為（wéi）避（bì）免腐蝕，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（fù）合材料外翼前後梁連接的各類接頭，普遍采用了鈦合金。包括與發動機吊掛（guà）連（lián）接的接頭、與主起（qǐ）落（luò）架連接接頭，襟翼滑軌接頭、機翼梁（liáng）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（jiē）頭（tóu）

3.2鈦合金在空客飛機上的應（yīng）用

鈦合金在（zài）空客係列飛機上的使用量一直比較穩定，低於鋼（gāng）的（de）用量。隨著複合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減少，在A350飛機上複合材料用量達到（dào）了52%，鈦合金也超過了鋼的用（yòng）量，達到了14%，如（rú）圖5所（suǒ）示。

圖5 空客係列飛機結構材料的（de）比例

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用飛（fēi）機，以鋁合（hé）金為主要材料。A380的選（xuǎn）材和設計代表著（zhe）先進民用飛機選材（cái）和設計的趨勢。相較於以往機型，A380鈦合金的使用比例沒有（yǒu）明顯（xiǎn）增加，但由於機身整體重量大，鈦合金的總用量是相當大的。在機身的關鍵部位，都采用了鈦合金（jīn），尤其是重要的（de）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（jiàn）重量達3 120kg。

圖6 鈦合（hé）金在A380飛機上的主要分布

空中客車公（gōng）司第一次（cì）采用全鈦設計了A380吊（diào）掛的主要結構。主要（yào）采用（yòng）最常（cháng）用的（de）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（wén）增長速度，使得（dé）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（cì）采（cǎi）用了新型鈦合金VST55531，這（zhè）種新的鈦合金是（shì）空中客車公司與俄羅斯製造商共同研發的，能夠為設計（jì）者提供良（liáng）好的斷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）之間的連接件，進一步（bù）的應用還在研究之中。

3.2.2鈦合金在A350XWB飛機上的應用

A350XWB是目前世界（jiè）上除B787以外應用複（fù）合材料最多（duō）的機型。由於鈦合金與複合（hé）材料良好的相容性，鈦合金（jīn）的用（yòng）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（hé）9%的鈦合金；2007年，迫（pò）於（yú）B787的壓（yā）力，A350XWB將複合材料（liào）用量（liàng）增加（jiā）到了52%，相應地，鈦合金的用量也增加到了14%，如圖（tú）8所示，兩種材料的百分比基本與B787持平。

圖8 A350（XWB）鈦合金用量隨複（fù）合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛（fēi）機將鈦（tài）合金應用於吊掛主結構，並增加了起（qǐ）落架結構鈦合金的用量，在活塞（sāi）、轉向架、扭力臂和側撐杆等部位（wèi）也都采用了（le）鈦合金（如圖9所示）。事實證明鈦（tài）合金具（jù）有很好的耐高溫、耐腐蝕性能，采用鈦合金實現了減重，提供了較高（gāo）的可靠性和較低的維護費（fèi）用。

圖9 鈦（tài）合金在A350XWB吊掛與（yǔ）起落架上（shàng）的應用

由於大範圍使用複合材（cái）料，而鈦合（hé）金與複合材料的相（xiàng）容性比鋁合金好，在A350XWB飛機上，鈦合金（jīn）在很（hěn）多結構上代替（tì）了傳統鋁合金，典型的如門加強框。空客認（rèn）為，選（xuǎn）擇鈦（tài）合金的主要原因（yīn）是門框上存在大量的連接件，如門擋塊，這些連接（jiē）件在安裝後可能仍（réng）需調整才能達到正確的位置（zhì），裝（zhuāng）配（pèi）中（zhōng）易產生劃痕（hén）和錯誤（wù）的（de）鑽孔，鈦合金對於這（zhè）些損傷的敏感度比複合材料低得多。同樣，采用鈦合金材料，裝配後（hòu）的門（mén）框組件也比較容易（yì）修（xiū）理。基於易受損的原因，門上部楣梁（liáng）及其延伸段和下（xià）部檻梁也選擇了鈦合金作為結構材料，如圖10所示。A350還將鈦合金用於機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火（huǒ）牆等。

圖10 A350登機門口框結（jié）構

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

作為即將服役的新機，C係列飛機鈦合（hé）金的用量達到了（le）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（liè）飛機材料使用情況

C係（xì）列（liè）也在機身關鍵位置采用了鈦合金（jīn），如發動（dòng）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（yǔ）複合材料中央翼盒相容性好，更（gèng）重要的是將鋁鋰合金後梁框更改為鈦合金後梁框後（hòu），不僅提高（gāo）了材料的耐腐（fǔ）蝕性和疲勞性能，根據計算還能夠減重約20kg，這是一（yī）個非常可觀的數據。在鋁鋰合金中後機身和（hé）複合材料後機（jī）身（shēn）的界（jiè）麵中（zhōng），采用了鈦合金連接角材與後部複合材料壓（yā）力（lì）隔框（kuàng）進行連接，以避免電化腐蝕現象的發生，並提高疲勞壽命。

根據（jù）高溫區（qū）需要，C係列APU防火牆采用純鈦薄板，尾錐（zhuī）對接框采用Ti－6Al－4V厚板機加結構；航燈整流罩、進氣道穩壓室、APU消音器（qì）等也采用了鈦合金；考慮強度、剛度和耐衝擊性，一些重要的接頭和艙門擋塊等普遍選擇（zé）了鈦（tài）合（hé）金（jīn）材料。鈦合金在（zài）C係列飛機尾錐上的應用如（rú）圖（tú）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，鈦合金緊固件數（shù）量隨（suí）之大（dà）量增加。緊固件材料的選用受到飛機（jī）性能（néng）、環境、結構等（děng）多種因素的影響。對於複合材料（liào）結構，其緊固件材料的選擇主要從（cóng）電位和比強度（dù）進行考慮。從電位來（lái）講，複合材料緊固件是最（zuì）適合的，但其難以滿足高強度、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（dàn）其比（bǐ）強度較低，也（yě）不適合大量采用。兼顧高比強度和低電位差，鈦合金成為複合材料結構用緊固件的最佳材料，無（wú）論是鉚釘，還是螺栓、單麵緊固件等，都大量（liàng）采用鈦合金材（cái）料。通常，對於複（fù）合材料的機械連接（包括螺接和鉚接），螺接類緊（jǐn）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铌合金（jīn）（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（zhe）複合材料逐漸成為民用（yòng）飛機機體的主要材（cái）料，鈦合金（jīn）在民用飛機上應（yīng）用的百分比也逐漸增加，鈦合金材料應用（yòng）麵臨著前（qián）所未有的機遇。除了傳統部（bù）位，如吊掛、起落架等結構外，也逐漸應用於大開口加強結構、座椅滑軌、APU防火牆等（děng）部位，尤其是機身、機翼上重要的接頭零（líng）件和（hé）界麵零件，鈦合金的使用範圍在不斷地擴大。

由（yóu）於鈦合金的（de）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）用方麵麵（miàn）臨著較大（dà）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造工藝，是現代民用飛機的發展趨勢。

作者：張寶柱（zhù），孫潔瓊中航沈（shěn）飛民用飛機有限責任公司工程研（yán）發（fā）中心

來源：《航空工程（chéng）進展》雜誌