民用飛機機體(tǐ)結構通常采用钛合金以實現結構減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性，當代先進的民用飛機普遍提高了钛合金的用量。從钛合金的特點及其應用優勢出發，介紹了钛合金在先進民用飛機機體(tǐ)結構中(zhōng)的應用現狀并分(fēn)析原因，總結并提出了钛合金在民用飛機機體(tǐ)結構上應用的機遇和挑戰，爲我(wǒ)(wǒ)國民用飛機的研發和發展提供參考和借鑒。

0、引言

钛合金以其高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點，在航空領域得到了廣泛的應用。随着先進複合材料在民用飛機上用量的逐漸增加，钛合金與複合材料相容性好的特點使其具有了更大(dà)的優勢，其在民用飛機機體(tǐ)結構的用量也在不斷提高。以B787和A350爲代表的最新一(yī)代民用飛機，钛合金用量分(fēn)别達到15%和14%，充分(fēn)體(tǐ)現了钛合金在現代民用飛機設計領域的重要性和不可替代性。

我(wǒ)(wǒ)國民用飛機設計起點較低、發展較慢(màn)，钛合金在機體(tǐ)上的應用還有待進一(yī)步提高。爲提升我(wǒ)(wǒ)國民用飛機上钛合金的使用量，發揮钛合金的優勢，進而提高飛機性能，實現減重和優化，本文對钛合金的性能特點、應用優勢及其在現代先進民用飛機上的應用現狀進行分(fēn)析和研究，總結钛合金應用的機遇和面臨的挑戰，爲我(wǒ)(wǒ)國民用飛機的研制和發展提供參考和借鑒，具有較高的實際指導意義。

1、钛合金的主要性能特點

钛合金是一(yī)種重量輕、耐腐蝕的結構材料，比強度高；具有較高的熔點，約爲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；無磁性。高溫時，與其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，能夠降低飛機的運營和維護成本。

制約钛合金應用的主要問題是其密度比鋁合金大(dà)、成本也相對較高（大(dà)約是鋁或鋼的7倍）。

2、钛合金的應用優勢

民用飛機上大(dà)量應用钛合金的一(yī)個重要推動力是結構減重，減重效果直接決定飛機綜合成本的高低。钛合金比同等強度的鋼的密度低40%，用钛合金代替鋼和鎳基合金甚至高強度鋼時，能夠大(dà)量減重。例如，在某些情況，用钛合金Ti－6Al－4V代替鋼用于發動機風扇、壓氣機盤及葉片等可減重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接技術（SPF／DB）的钛合金結構應用廣泛，例如A300、A310／320的前緣縫翼收放(fàng)機構外(wài)罩，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%，經濟效益顯著。

民用飛機機體(tǐ)結構使用钛合金的另一(yī)優勢是突破體(tǐ)積限制。當結構載荷比較高、采用鋁合金又(yòu)受到結構空間限制時，強度較高的钛合金成爲較理想的材料。波音飛機上采用非常大(dà)的钛合金鍛件以降低結構體(tǐ)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後梁之間的部件，雖然鋁合金成本低，可以作爲備選材料，但是由于操穩載荷高，鋁合金需要做得非常大(dà)而難以包在機翼内，故選用钛合金則更爲适合。

較高的工(gōng)作溫度也是钛合金的一(yī)大(dà)優勢。傳統鋁合金僅能适用于130～150℃，在高溫區域，采用钛合金更适宜，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钛合金大(dà)。發動機支持結構，如B787吊挂結構和輔助動力裝置（APU）區域等，将溫度作爲設計的主要考慮因素。

钛合金具有優良的耐腐蝕性，使其在腐蝕嚴重區域得以大(dà)量應用。實際上钛合金在民用飛機運營環境中(zhōng)，幾乎不會發生(shēng)腐蝕現象。在易腐蝕區域，如位于廚房和盥洗室下(xià)的地闆支持結構，钛合金可取代鋁合金用于連接座椅和地闆。

随着碳纖維複合材料（CFRP）的廣泛使用，钛合金與碳纖維複合材料相容性好的特點成爲其大(dà)量使用的重要原因。鋁合金和CFRP之間存在有較大(dà)的電(diàn)位差，将導緻嚴重的電(diàn)化學腐蝕，盡管可以采取增加玻璃布等保護措施來隔離(lí)鋁合金和碳纖維，但表面塗層的任何破損都将導緻鋁合金的快速腐蝕。對于關鍵結構，很難檢查或替換，爲避免電(diàn)化學腐蝕的出現，應優先選用钛合金。钛合金的這一(yī)特性，也使其在鋁合金與複合材料結構之間的界面中(zhōng)，得到大(dà)量應用。與鋁合金相比，钛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(yī)起時，能夠降低高熱載。

3、钛合金在典型民用飛機機體(tǐ)結構上的應用

3.1钛合金在波音系列飛機上的應用

钛合金在波音系列飛機上的應用，是随着鋁合金和鋼用量的減少而逐步增加的，B777飛機钛合金的用量爲7%，由于複合材料的全面使用，钛合金在B787飛機上的用量達到了創紀錄的15%，這标志(zhì)着钛合金在現代複合材料民用飛機中(zhōng)的重要作用逐漸顯現出來。波音系列飛機材料比例如圖1所示，钛合金的應用比例随着每一(yī)個重要商(shāng)業飛機的産生(shēng)而增加。

圖1波音系列飛機材料比例

3.1.1钛合金在B777上的應用

在B777上，钛合金主要應用于早期CFRP結構，來避免采用鋁合金造成的電(diàn)化腐蝕，大(dà)幅度提高了飛機的損傷容限。将Ti－10V－2Fe－3Al钛合金應用于B777的主起落架轉向架梁上，單個钛合金鍛件重量當時達到了最大(dà)。這一(yī)設計減重幅度非常大(dà)，與高強度鋼的起落架部件相連接，沒有産生(shēng)典型的腐蝕和表面損壞。另一(yī)個主要進步是，B777選擇了β－21S钛合金用于發動機塞、整流罩和噴嘴等熱結構，其高抗氧化性大(dà)幅度降低了排氣部件的重量。

3.1.2钛合金在B787上的應用

钛合金在B787上的使用比例爲破紀錄的15%。一(yī)方面是傳統部位的采用，如吊挂、起落架結構等；另一(yī)方面，由于B787飛機複合材料用量的大(dà)幅增加以及钛合金與複材相容性好的特點，钛合金在某些部位也取代了鋁合金。

吊挂是飛機的關鍵部件，B787在其吊挂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，靜強度優于傳統的Ti－6Al－4V，主要應用于比較重要的上連杆和吊挂接頭結構，側連杆則采用了普通的Ti－6Al－4V，既滿足傳力要求，又(yòu)能滿足運營溫度要求。钛合金在B787吊挂結構上的應用如圖2所示。

圖2钛合金在B787吊挂結構上的應用

B787機身爲全複合材料結構，包括機身蒙皮、長桁、普通框和剪切角片等。而在載荷複雜(zá)的中(zhōng)機身，所有側邊框包括前後壓力隔框都普遍采用钛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(zhōng)機身框結構

B787大(dà)開(kāi)口加強結構中(zhōng)的加強框，采用了Ti－6Al－4V杆狀鍛件機加結構。相比于複合材料框，钛合金具有良好的抗沖擊性，可以避免旅客、貨物(wù)對門框意外(wài)撞擊造成損傷。相比于鋁合金，钛合金不僅與複合材料機身壁闆具有很好的相容性，結構效率也要高出很多，能夠更好的對大(dà)開(kāi)口進行加強，并在一(yī)定程度上降低結構高度，節省内部空間。爲避免腐蝕，B787座椅滑軌也采用了钛合金擠壓型材。

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接頭，普遍采用了钛合金。包括與發動機吊挂連接的接頭、與主起落架連接接頭，襟翼滑軌接頭、機翼梁接頭等，部分(fēn)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(fēn)钛合金接頭

3.2钛合金在空客飛機上的應用

钛合金在空客系列飛機上的使用量一(yī)直比較穩定，低于鋼的用量。随着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了52%，钛合金也超過了鋼的用量，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钛合金在A380飛機上的應用

A380是目前世界上最大(dà)的民用飛機，以鋁合金爲主要材料。A380的選材和設計代表着先進民用飛機選材和設計的趨勢。相較于以往機型，A380钛合金的使用比例沒有明顯增加，但由于機身整體(tǐ)重量大(dà)，钛合金的總用量是相當大(dà)的。在機身的關鍵部位，都采用了钛合金，尤其是重要的連接位置。A380飛機钛合金分(fēn)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 钛合金在A380飛機上的主要分(fēn)布

空中(zhōng)客車(chē)公司第一(yī)次采用全钛設計了A380吊挂的主要結構。主要采用最常用的钛合金Ti－6Al－4V，如圖7所示，其在β退火(huǒ)狀态下(xià)具有最大(dà)的斷裂韌性和最小(xiǎo)的裂紋增長速度，使得吊挂的疲勞性能得到較大(dà)改善。

圖7钛合金在A380吊挂結構上的應用

此外(wài)，在A380上第一(yī)次采用了新型钛合金VST55531，這種新的钛合金是空中(zhōng)客車(chē)公司與俄羅斯制造商(shāng)共同研發的，能夠爲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A380飛機機翼和挂架之間的連接件，進一(yī)步的應用還在研究之中(zhōng)。

3.2.2钛合金在A350XWB飛機上的應用

A350XWB是目前世界上除B787以外(wài)應用複合材料最多的機型。由于钛合金與複合材料良好的相容性，钛合金的用量往往随着複合材料用量的增加而增加。2005年，A350計劃采用40%的複合材料和9%的钛合金；2007年，迫于B787的壓力，A350XWB将複合材料用量增加到了52%，相應地，钛合金的用量也增加到了14%，如圖8所示，兩種材料的百分(fēn)比基本與B787持平。

圖8 A350（XWB）钛合金用量随複合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛機将钛合金應用于吊挂主結構，并增加了起落架結構钛合金的用量，在活塞、轉向架、扭力臂和側撐杆等部位也都采用了钛合金（如圖9所示）。事實證明钛合金具有很好的耐高溫、耐腐蝕性能，采用钛合金實現了減重，提供了較高的可靠性和較低的維護費(fèi)用。

圖9 钛合金在A350XWB吊挂與起落架上的應用

由于大(dà)範圍使用複合材料，而钛合金與複合材料的相容性比鋁合金好，在A350XWB飛機上，钛合金在很多結構上代替了傳統鋁合金，典型的如門加強框。空客認爲，選擇钛合金的主要原因是門框上存在大(dà)量的連接件，如門擋塊，這些連接件在安裝後可能仍需調整才能達到正确的位置，裝配中(zhōng)易産生(shēng)劃痕和錯誤的鑽孔，钛合金對于這些損傷的敏感度比複合材料低得多。同樣，采用钛合金材料，裝配後的門框組件也比較容易修理。基于易受損的原因，門上部楣梁及其延伸段和下(xià)部檻梁也選擇了钛合金作爲結構材料，如圖10所示。A350還将钛合金用于機翼結構、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火(huǒ)牆等。

圖10 A350登機門口框結構

3.3钛合金在龐巴迪C系列（CS100和CS300型）飛機上的應用

作爲即将服役的新機，C系列飛機钛合金的用量達到了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系列也在機身關鍵位置采用了钛合金，如發動機吊挂、平尾懸挂接頭等，中(zhōng)機身後梁框采用了钛合金Ti－6AlV4V。钛合金後梁框與複合材料中(zhōng)央翼盒相容性好，更重要的是将鋁锂合金後梁框更改爲钛合金後梁框後，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(yī)個非常可觀的數據。在鋁锂合金中(zhōng)後機身和複合材料後機身的界面中(zhōng)，采用了钛合金連接角材與後部複合材料壓力隔框進行連接，以避免電(diàn)化腐蝕現象的發生(shēng)，并提高疲勞壽命。

根據高溫區需要，C系列APU防火(huǒ)牆采用純钛薄闆，尾錐對接框采用Ti－6Al－4V厚闆機加結構；航燈整流罩、進氣道穩壓室、APU消音器等也采用了钛合金；考慮強度、剛度和耐沖擊性，一(yī)些重要的接頭和艙門擋塊等普遍選擇了钛合金材料。钛合金在C系列飛機尾錐上的應用如圖12所示。

圖12钛合金在C系列尾錐上的應用

3.4钛合金緊固件在複合材料結構中(zhōng)的應用

随着現代飛機複合材料用量的急劇增加，钛合金緊固件數量随之大(dà)量增加。緊固件材料的選用受到飛機性能、環境、結構等多種因素的影響。對于複合材料結構，其緊固件材料的選擇主要從電(diàn)位和比強度進行考慮。從電(diàn)位來講，複合材料緊固件是最适合的，但其難以滿足高強度、抗疲勞等性能要求，一(yī)般隻能用于特殊部位；其次是不鏽鋼，但其比強度較低，也不适合大(dà)量采用。兼顧高比強度和低電(diàn)位差，钛合金成爲複合材料結構用緊固件的最佳材料，無論是鉚釘，還是螺栓、單面緊固件等，都大(dà)量采用钛合金材料。通常，對于複合材料的機械連接（包括螺接和鉚接），螺接類緊固件材料常選用Ti－6Al－4V；鉚接類緊固件材料常選用純钛和钛铌合金（55Ti－45Cb），原因是其能防止電(diàn)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

随着複合材料逐漸成爲民用飛機機體(tǐ)的主要材料，钛合金在民用飛機上應用的百分(fēn)比也逐漸增加，钛合金材料應用面臨着前所未有的機遇。除了傳統部位，如吊挂、起落架等結構外(wài)，也逐漸應用于大(dà)開(kāi)口加強結構、座椅滑軌、APU防火(huǒ)牆等部位，尤其是機身、機翼上重要的接頭零件和界面零件，钛合金的使用範圍在不斷地擴大(dà)。

由于钛合金的固有屬性，導緻其成本高、加工(gōng)和成型相對困難，使其在大(dà)量應用方面面臨着較大(dà)的挑戰。研發和利用綜合高性能的钛合金材料，提高钛合金加工(gōng)與制造工(gōng)藝，是現代民用飛機的發展趨勢。

作者：張寶柱，孫潔瓊中(zhōng)航沈飛民用飛機有限責任公司工(gōng)程研發中(zhōng)心

來源：《航空工(gōng)程進展》雜(zá)志(zhì)