民用飛（fēi）機機體結（jié）構（gòu）通常采用鈦合金以（yǐ）實現結構減重、改善疲勞壽命（mìng）、提（tí）高耐腐蝕性，當代先進（jìn）的民用飛機普遍（biàn）提高了鈦合金的用量。從鈦合金的特（tè）點及其（qí）應用優勢出發（fā），介紹了鈦合金在先進民用飛機機體結（jié）構中（zhōng）的應用現狀並分析原（yuán）因，總結並提出了鈦合金在民用（yòng）飛（fēi）機機體結構上應（yīng）用（yòng）的機遇（yù）和挑戰（zhàn），為我（wǒ）國民用飛機的研發和發（fā）展（zhǎn）提供參考（kǎo）和借鑒。

0、引言

鈦合金以其高比強度（dù）、耐高溫、耐腐蝕等（děng）特點，在（zài）航空（kōng）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（yòng）量的逐漸增加，鈦合金與複合材料相容性好的（de）特點使其具有了更大的優（yōu）勢，其在民用飛機機體結構的用量（liàng）也在不斷提高。以B787和A350為代表（biǎo）的最新一代民用飛機，鈦（tài）合金用量分別達到15%和14%，充分體現（xiàn）了鈦合金在現代民用飛（fēi）機設計領域的重要性和不可替（tì）代性。

我國民用飛機設計起點較低、發展較慢，鈦合金在機體上的應用還有待進一步提高。為提升我國（guó）民（mín）用飛機（jī）上鈦合金的使（shǐ）用量，發揮鈦合金的優勢，進（jìn）而提高（gāo）飛（fēi）機性能，實現減重和優（yōu）化，本文對鈦合金的性能特點、應用優勢及其在現代先進民用飛機上的應用現（xiàn）狀進行分析和研究，總結鈦合金應用（yòng）的（de）機遇和麵臨的挑戰，為我國民用飛機的研製和發展提供（gòng）參考和（hé）借鑒，具（jù）有（yǒu）較高（gāo）的實際指導（dǎo）意義。

1、鈦合金的主要性能特點

鈦合金是一種重（chóng）量輕、耐腐蝕的結構材料，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（qiáng）度性能（néng）；具有很高的疲勞強度（dù）和斷裂韌性；很好的高溫性能；熱（rè）性能好，熱膨脹係（xì）數比鋼低，比鋁（lǚ）合金的50%還（hái）低，熱傳導率低；無磁性。高溫時，與其他材（cái）料具有很好的化學相容性；優越的耐腐蝕和抗氧化能力（lì），能夠（gòu）降低飛機（jī）的運營（yíng）和維護成本。

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

2、鈦合金的應用優勢

民用飛機上（shàng）大量應用鈦合金的一個重（chóng）要推動力是結構減重，減重效果直接決定飛（fēi）機綜合成本的高低。鈦合金比同等強度的鋼（gāng）的密度低40%，用鈦合金代替鋼和鎳基合金甚至高強度鋼時，能夠大量減重（chóng）。例如（rú），在某些情況（kuàng），用鈦合金Ti－6Al－4V代替（tì）鋼用於（yú）發（fā）動機風扇（shàn）、壓氣機盤及葉（yè）片等可減（jiǎn）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）的鈦合金結構應用廣泛，例如A300、A310／320的前緣（yuán）縫翼收放（fàng）機（jī）構外罩，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（xiào）益顯著。

民用飛機機體結構使用鈦合金的另一優勢是突破體積限（xiàn）製。當結構載荷比較高、采用鋁合金又受到結構空間（jiān）限製時，強度較高的鈦（tài）合金成為較理想的材料。波音（yīn）飛機（jī）上采用非常大的鈦合金鍛件以降低結構（gòu）體積（jī），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（zuò）為備選材料，但（dàn）是由於操穩（wěn）載荷高，鋁合金需要做得（dé）非常大而難以（yǐ）包在機（jī）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（tǒng）鋁合（hé）金（jīn）僅能適用於130～150℃，在高溫區（qū）域，采（cǎi）用鈦合金更適宜，可以提高結（jié）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鈦合金大。發動（dòng）機支持結（jié）構，如B787吊掛結構和輔助動力裝置（APU）區域等，將溫度作為（wéi）設計的主要考慮因素。

鈦合（hé）金具有優良的耐腐蝕性（xìng），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，幾乎不會發（fā）生腐蝕現象（xiàng）。在易腐蝕區域，如位於廚房和盥洗室下（xià）的地板支持結（jié）構，鈦合金（jīn）可取代鋁合金用（yòng）於連接座椅和地板。

隨著碳纖維複合（hé）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要原因。鋁（lǚ）合金和CFRP之間存在有較大的電位差，將導致嚴重的電化學（xué）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纖維，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，很難檢查或替換，為避免電化學腐蝕的出現，應優先選用鈦合金。鈦合金的這一特性（xìng），也使其在鋁合金與複合材料（liào）結構之間的界（jiè）麵（miàn）中，得到（dào）大量應用。與鋁合金相比，鈦合金能夠提高結構壽（shòu）命60%。而且其熱膨脹係數低，當與CFRP結構連接在一起時（shí），能夠降低高熱載。

3、鈦（tài）合（hé）金在典型民用飛機機體結構上的應用

3.1鈦合金在波音（yīn）係列飛機上的應用（yòng）

鈦（tài）合金在波音係列飛（fēi）機上的應用（yòng），是隨著鋁合金和鋼用量的減少而逐步增加的，B777飛機鈦合金的用量（liàng）為7%，由於複（fù）合材料的全麵使用，鈦合金在B787飛機上的用量達到了創紀（jì）錄的15%，這標誌著鈦合金（jīn）在現代複合材料民用飛（fēi）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（tú）1所示，鈦合金的應用比例隨著每一個重要商（shāng）業飛機的產生（shēng）而增加。

圖1波音係列飛機材料比例

3.1.1鈦合金在B777上的（de）應用

在B777上，鈦合金主要應用於早期CFRP結（jié）構，來避免采用鋁合（hé）金造成的電化腐蝕，大幅（fú）度提高了飛（fēi）機的損傷容限。將（jiāng）Ti－10V－2Fe－3Al鈦合金應（yīng）用於B777的主起落架轉向架梁上，單個鈦（tài）合金鍛件重量當時達到了最大。這一設計減重幅度非（fēi）常大，與高強度鋼的起落架部（bù）件相連接，沒有產生典型的腐蝕和表麵損壞。另一個主要進（jìn）步是，B777選擇了β－21S鈦合金用於（yú）發動機（jī）塞、整流罩和噴嘴等熱結構，其高抗氧化性大幅度降（jiàng）低了排氣部件的重量。

3.1.2鈦合金在B787上的應用

鈦合金在B787上的使用比例為破紀錄的15%。一方麵是傳統部位的采用，如（rú）吊（diào）掛（guà）、起（qǐ）落架結構等；另一（yī）方麵，由於B787飛機複合材料用量的（de）大幅增加以及鈦合金與複材相容性好的（de）特點，鈦合金在某（mǒu）些部位（wèi）也取代了鋁合金。

吊掛是飛機的關（guān）鍵部件，B787在（zài）其吊掛結構上采用了新型的Ti－5Al－5V－5Mo－3Cr近β型合金，具有較高的強度，靜強度優於（yú）傳統的Ti－6Al－4V，主要應用於比較重要的上連杆（gǎn）和吊掛接頭（tóu）結構，側（cè）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（yíng）溫度要求。鈦合金在B787吊掛結構上的應（yīng）用（yòng）如圖2所（suǒ）示。

圖2鈦合金在B787吊（diào）掛（guà）結構上的應用

B787機身為全複合材（cái）料結構，包括（kuò）機身（shēn）蒙皮、長桁、普通框和剪切角片（piàn）等。而在載荷複雜（zá）的中機身，所有側邊框（kuàng）包括前後壓力隔框都普遍采（cǎi）用鈦合金結構（gòu）以承受高載，B787中機身框（kuàng）結構（gòu）如圖3所示。

圖3 B787中機身框結構

B787大開口加強結構（gòu）中（zhōng）的加強框，采用了Ti－6Al－4V杆（gǎn）狀鍛件機（jī）加結構。相比於複合（hé）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傷。相比（bǐ）於鋁合金，鈦合金不僅與複（fù）合材料機身壁板具有很好的相容性，結構效率也要高出很多，能夠更好（hǎo）的對大（dà）開口（kǒu）進（jìn）行加強，並在一定程（chéng）度上降低結構高（gāo）度，節省（shěng）內（nèi）部空間。為避免腐蝕，B787座椅（yǐ）滑軌也采用了鈦合金擠壓型材（cái）。

B787的其他關鍵（jiàn）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（hé）金（jīn）。包括與發動機吊掛連接的接頭、與（yǔ）主起落架連接接頭，襟翼滑軌（guǐ）接（jiē）頭、機翼梁接（jiē）頭等，部分（fèn）接頭零件的選材情況如圖4所示（shì）。

圖4與B787機（jī）翼連接的部分鈦合金接頭

3.2鈦合（hé）金在（zài）空客飛機上的應用

鈦合金（jīn）在空（kōng）客係列飛機（jī）上的使用（yòng）量一直（zhí）比較穩定，低於（yú）鋼（gāng）的用量。隨著複（fù）合材料用量的逐漸增加，鋼的用量逐漸減少，在A350飛機（jī）上複合材料用（yòng）量達到了52%，鈦合金也超過了鋼的用量，達到了14%，如圖5所示。

圖5 空客係列（liè）飛機結構材料的比例

3.2.1鈦合金在（zài）A380飛機上（shàng）的應用

A380是目前世界上最大的（de）民用飛機，以鋁合金為主要（yào）材料。A380的選材（cái）和設計代表著先進民用飛機選材和設計的趨勢。相較於以往機型，A380鈦合（hé）金的使（shǐ）用比例沒有明顯增加，但由於機身整體（tǐ）重量大（dà），鈦合金的總用量是相當大的。在機身的（de）關鍵部位，都采用了鈦合金（jīn），尤其是重要的連接位置（zhì）。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（měi）件重量達3 120kg。

圖6 鈦合金在A380飛（fēi）機上的主要分布

空中客（kè）車公司第一次采用全鈦設計（jì）了A380吊掛的主要（yào）結（jié）構。主要（yào）采用最常用的鈦合金（jīn）Ti－6Al－4V，如圖7所示，其在β退火狀（zhuàng）態下具有最大的斷裂韌（rèn）性和最小的裂紋增長速度，使得吊掛的疲勞性能得到較大改（gǎi）善。

圖（tú）7鈦合金在A380吊掛結構上的應用

此外，在A380上（shàng）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與俄羅斯製造商共同（tóng）研（yán）發的，能夠為設計者提供良好的斷裂（liè）韌性和較高強度的綜合（hé）性能匹配。該合金目前用於A380飛（fēi）機機翼（yì）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鈦合金在A350XWB飛機上的應用

A350XWB是目前世界上（shàng）除B787以外應用複合材料最（zuì）多的機型（xíng）。由於鈦合金與複合材料良好的相（xiàng）容性，鈦合金的用量往往隨著複（fù）合材料用量的增加而增加。2005年，A350計劃采用40%的（de）複合材料和9%的鈦合金；2007年，迫於（yú）B787的壓力，A350XWB將複合材料用量（liàng）增加到了52%，相應地，鈦（tài）合金的用量也增加到了（le）14%，如圖8所示，兩種材料的百（bǎi）分比（bǐ）基本與B787持平。

圖8 A350（XWB）鈦合金用量隨複合材料用量的變化

與A380相似，A350XWB飛機將鈦（tài）合金應（yīng）用於吊掛主結構，並增加了起落架結構鈦合金的用量，在活塞（sāi）、轉向架、扭（niǔ）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（hé）金具有很好（hǎo）的耐高溫、耐（nài）腐蝕性能，采用鈦合金實（shí）現了減重，提供了較高的可靠（kào）性和較低的維護費用。

圖9 鈦合金在A350XWB吊掛與起落架上的應（yīng）用（yòng）

由於大（dà）範圍使用複合材料，而鈦合（hé）金與複合材料的相容性比鋁合金好，在A350XWB飛（fēi）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（wéi），選擇（zé）鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接件，如門擋塊，這些連接件在安（ān）裝後可能仍需調整才能達到正確的位置，裝配中易產生劃痕和錯誤（wù）的鑽孔，鈦合金對於這些損傷的敏感度比複合材料低得多。同樣，采用鈦合金材料，裝配後的門框組件也比較（jiào）容易修理。基於易受（shòu）損的原因，門上部楣梁及其延伸段和下部檻梁也選（xuǎn）擇了鈦合金作為結構材料，如圖10所（suǒ）示。A350還將鈦合（hé）金用於機翼結構、座椅（yǐ）滑（huá）軌、尾（wěi）錐和APU艙防（fáng）火牆等。

圖10 A350登機門口框結構

3.3鈦合金在龐巴迪C係列（CS100和CS300型）飛機上的應用

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

圖11 C係列飛機材（cái）料（liào）使（shǐ）用（yòng）情況

C係列也（yě）在機身關鍵位（wèi）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（jīn）Ti－6AlV4V。鈦（tài）合金後梁框與複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（wéi）鈦（tài）合金後梁框後，不僅提高（gāo）了材料的耐腐蝕性（xìng）和疲勞性能，根據計算還能夠減重約20kg，這（zhè）是一個（gè）非（fēi）常可觀的數據。在鋁鋰合金中後（hòu）機身和複合材料後機身的界麵中（zhōng），采用了鈦合金連接角材與後部複（fù）合材料壓力隔框進行連接，以避免電化腐蝕現（xiàn）象（xiàng）的（de）發（fā）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，尾錐對接框采用（yòng）Ti－6Al－4V厚（hòu）板機加結構；航燈整（zhěng）流罩、進（jìn）氣道穩壓室、APU消音器等也采用了鈦合（hé）金（jīn）；考慮強度、剛度和耐衝擊（jī）性，一些（xiē）重要的接頭和艙（cāng）門（mén）擋塊等普遍選（xuǎn）擇了鈦合金（jīn）材料。鈦合金在C係列（liè）飛機尾錐上的應用如圖12所示。

圖12鈦合（hé）金（jīn）在C係列尾錐上（shàng）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（fēi）機（jī）複合材料用量的急劇增加，鈦合金緊（jǐn）固件數量隨（suí）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（yǐng）響。對於複合材料結構，其緊固件（jiàn）材料的選擇主要從（cóng）電位和比強度進行考慮。從電位來講，複合材料緊固件是最適合的，但其難以滿（mǎn）足高強度、抗（kàng）疲勞等性能要求，一般隻能用於特殊部位；其（qí）次是不鏽鋼，但其比（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（tài）合金成為複合材料結（jié）構用緊固件的最佳材料，無論是鉚釘，還是螺栓、單（dān）麵緊固件等，都大（dà）量采用鈦合金（jīn）材料。通常，對於複合材料的機械連接（包括螺（luó）接和鉚接（jiē）），螺接類緊固件材料常選用Ti－6Al－4V；鉚接類（lèi）緊固件材料常選用純鈦和（hé）鈦铌合金（55Ti－45Cb），原因是其能防止電偶（ǒu）腐蝕和具（jù）有（yǒu）高的比強度，鉚接性能（néng）（延展性）也較好。

4結束語

隨著複（fù）合材料逐漸成為民用飛機機體的主要材料，鈦（tài）合金（jīn）在民用飛機上應用的百分比也逐漸增（zēng）加，鈦合金材料應（yīng）用麵臨著前所未（wèi）有的（de）機遇。除了傳（chuán）統部位，如吊掛（guà）、起落架等結（jié）構外，也逐漸應用於大開口加強結構、座椅（yǐ）滑軌（guǐ）、APU防火牆等部位（wèi），尤其是機身、機翼上重（chóng）要的（de）接頭零件和界麵零件，鈦合金的使用範圍在不斷地擴大。

由於鈦合（hé）金的（de）固有屬性，導致其成本（běn）高、加工和成型相對困難，使其在大量應用方（fāng）麵麵臨（lín）著較（jiào）大的挑戰。研發（fā）和利用綜（zōng）合高（gāo）性能的鈦合金材料，提高鈦合金（jīn）加工與製造工（gōng）藝，是現代民用飛機的發展趨勢。

作（zuò）者：張寶柱，孫潔瓊中航沈飛民用飛機有限責任（rèn）公司（sī）工程研發中（zhōng）心

來源：《航空（kōng）工程進展》雜誌