民(min)用(yong)(yong)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)機(ji)體(ti)(ti)結構通常(chang)采用(yong)(yong)鈦(tai)合金(jin)以實現結構減重、改(gai)善疲勞壽命、提高(gao)耐(nai)腐蝕性(xing)，當(dang)代先進的(de)民(min)用(yong)(yong)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)普遍提高(gao)了(le)(le)鈦(tai)合金(jin)的(de)用(yong)(yong)量。從鈦(tai)合金(jin)的(de)特點及其應用(yong)(yong)優勢出發，介紹了(le)(le)鈦(tai)合金(jin)在(zai)先進民(min)用(yong)(yong)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)機(ji)體(ti)(ti)結構中的(de)應用(yong)(yong)現狀并分析原因，總結并提出了(le)(le)鈦(tai)合金(jin)在(zai)民(min)用(yong)(yong)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)機(ji)體(ti)(ti)結構上應用(yong)(yong)的(de)機(ji)遇和(he)挑(tiao)戰，為我國民(min)用(yong)(yong)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)的(de)研發和(he)發展提供參考和(he)借鑒。

0、引言

鈦合金(jin)以其高比強度、耐高溫(wen)、耐腐蝕等特(te)點(dian)，在(zai)航(hang)空領域得到(dao)了廣(guang)泛的(de)應(ying)用(yong)。隨(sui)著先進復合材料(liao)在(zai)民(min)用(yong)飛機上用(yong)量的(de)逐漸增加，鈦合金(jin)與復合材料(liao)相(xiang)容性(xing)好的(de)特(te)點(dian)使其具(ju)有了更大的(de)優勢，其在(zai)民(min)用(yong)飛機機體結(jie)構的(de)用(yong)量也在(zai)不(bu)(bu)斷提高。以B787和A350為代(dai)表的(de)最新(xin)一代(dai)民(min)用(yong)飛機，鈦合金(jin)用(yong)量分別達到(dao)15%和14%，充(chong)分體現了鈦合金(jin)在(zai)現代(dai)民(min)用(yong)飛機設計(ji)領域的(de)重要性(xing)和不(bu)(bu)可(ke)替(ti)代(dai)性(xing)。

我國民用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)飛機(ji)(ji)設(she)計起(qi)點較低(di)、發(fa)展較慢，鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)在機(ji)(ji)體上的應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)還有待進一步提(ti)高(gao)。為(wei)提(ti)升(sheng)我國民用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)飛機(ji)(ji)上鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)的使用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)量，發(fa)揮鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)的優(you)勢，進而(er)提(ti)高(gao)飛機(ji)(ji)性(xing)能，實現(xian)減(jian)重和優(you)化，本文(wen)對鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)的性(xing)能特點、應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)優(you)勢及其(qi)在現(xian)代先進民用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)飛機(ji)(ji)上的應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)現(xian)狀進行分析和研究，總結鈦(tai)(tai)(tai)合金(jin)(jin)應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)的機(ji)(ji)遇和面(mian)臨的挑戰，為(wei)我國民用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)飛機(ji)(ji)的研制和發(fa)展提(ti)供參(can)考和借鑒，具有較高(gao)的實際(ji)指導意義。

1、鈦合金的主要性(xing)能(neng)特點

鈦合金是一種重量(liang)輕、耐腐蝕的(de)(de)結構材料(liao)，比強(qiang)度高(gao)；具有(you)(you)(you)較高(gao)的(de)(de)熔(rong)點，約為1 690°C；彈性(xing)(xing)模(mo)量(liang)相對較低(di)(di)，可以(yi)通過合金化和(he)熱(re)處理獲取(qu)更(geng)高(gao)的(de)(de)強(qiang)度性(xing)(xing)能；具有(you)(you)(you)很(hen)高(gao)的(de)(de)疲(pi)勞強(qiang)度和(he)斷裂韌性(xing)(xing)；很(hen)好的(de)(de)高(gao)溫(wen)性(xing)(xing)能；熱(re)性(xing)(xing)能好，熱(re)膨脹系(xi)數(shu)比鋼(gang)低(di)(di)，比鋁合金的(de)(de)50%還低(di)(di)，熱(re)傳導率(lv)低(di)(di)；無磁性(xing)(xing)。高(gao)溫(wen)時(shi)，與其他材料(liao)具有(you)(you)(you)很(hen)好的(de)(de)化學(xue)相容(rong)性(xing)(xing)；優越的(de)(de)耐腐蝕和(he)抗氧化能力，能夠降(jiang)低(di)(di)飛機的(de)(de)運營和(he)維護成本。

制約鈦(tai)合(he)金應(ying)用(yong)的主要問題是其密度比鋁合(he)金大、成(cheng)本也相對較高（大約是鋁或鋼的7倍）。

2、鈦合金(jin)的應用優勢

民用(yong)(yong)(yong)(yong)飛機(ji)(ji)上(shang)大量(liang)應用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)一個重(zhong)(zhong)要推動(dong)力是結構減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)，減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)效(xiao)果直接決定飛機(ji)(ji)綜合(he)(he)成(cheng)(cheng)本的(de)高(gao)低(di)。鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)比同等強度(du)的(de)鋼(gang)的(de)密度(du)低(di)40%，用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)代替鋼(gang)和鎳(nie)基合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)甚至高(gao)強度(du)鋼(gang)時，能夠大量(liang)減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)。例如，在某些情況，用(yong)(yong)(yong)(yong)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)Ti－6Al－4V代替鋼(gang)用(yong)(yong)(yong)(yong)于發動(dong)機(ji)(ji)風扇(shan)、壓(ya)氣機(ji)(ji)盤及葉片等可減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)30%；用(yong)(yong)(yong)(yong)Ti－10V－2Fe－3Al代替30CrMnSiA鋼(gang)，零件(jian)可以(yi)減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)40%左右。采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong)超塑性成(cheng)(cheng)形及擴散聯接技(ji)術（SPF／DB）的(de)鈦合(he)(he)金(jin)(jin)(jin)結構應用(yong)(yong)(yong)(yong)廣泛，例如A300、A310／320的(de)前緣(yuan)縫(feng)翼收放機(ji)(ji)構外罩，可減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)10%；A330、A340機(ji)(ji)翼檢修(xiu)口(kou)蓋、駕駛艙頂(ding)蓋、縫(feng)緣(yuan)傳動(dong)機(ji)(ji)構等減(jian)(jian)重(zhong)(zhong)達到46%，經(jing)濟效(xiao)益顯著(zhu)。

民用(yong)(yong)飛(fei)機機體(ti)結構(gou)使(shi)用(yong)(yong)鈦合(he)(he)(he)金(jin)的另(ling)一(yi)優勢是突破體(ti)積限制。當結構(gou)載荷比較高、采用(yong)(yong)鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)又受到(dao)結構(gou)空間限制時，強度較高的鈦合(he)(he)(he)金(jin)成(cheng)(cheng)為較理想的材料。波(bo)音(yin)飛(fei)機上(shang)采用(yong)(yong)非(fei)常大的鈦合(he)(he)(he)金(jin)鍛件(jian)以(yi)降(jiang)低(di)結構(gou)體(ti)積，例如波(bo)音(yin)757和(he)747的起(qi)落架梁。起(qi)落架是連接起(qi)落架梁和(he)機翼后梁之間的部件(jian)，雖然鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)成(cheng)(cheng)本低(di)，可(ke)以(yi)作為備選材料，但是由于操(cao)穩載荷高，鋁(lv)合(he)(he)(he)金(jin)需要做得(de)非(fei)常大而難以(yi)包在機翼內，故選用(yong)(yong)鈦合(he)(he)(he)金(jin)則更為適(shi)合(he)(he)(he)。

較高(gao)的工作(zuo)溫度也是鈦合金(jin)(jin)的一大優勢。傳統鋁合金(jin)(jin)僅能(neng)適(shi)用于130～150℃，在(zai)高(gao)溫區域(yu)，采(cai)用鈦合金(jin)(jin)更適(shi)宜，可以(yi)(yi)提高(gao)結構(gou)(gou)效率。鋼和鎳(nie)基(ji)合金(jin)(jin)也可以(yi)(yi)選用，但是這兩種(zhong)材料密(mi)度都(dou)比鈦合金(jin)(jin)大。發(fa)動機(ji)支(zhi)持結構(gou)(gou)，如B787吊掛(gua)結構(gou)(gou)和輔助動力(li)裝置（APU）區域(yu)等，將溫度作(zuo)為(wei)設(she)計的主要考(kao)慮因素。

鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)具有優良的耐腐(fu)蝕性，使其在腐(fu)蝕嚴(yan)重區域得以大量應(ying)用(yong)。實際上鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)在民用(yong)飛機運營環境中，幾乎不會(hui)發生(sheng)腐(fu)蝕現(xian)象。在易腐(fu)蝕區域，如位于廚房和盥洗室下的地板(ban)(ban)支(zhi)持結(jie)構，鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)可取代鋁合(he)金(jin)(jin)用(yong)于連接(jie)座椅和地板(ban)(ban)。

隨(sui)著碳纖維復合(he)(he)(he)(he)材料（CFRP）的(de)(de)(de)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)與(yu)碳纖維復合(he)(he)(he)(he)材料相容性(xing)好的(de)(de)(de)特點(dian)成為(wei)其大(da)量使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)重要原因(yin)。鋁合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)和(he)CFRP之間存在(zai)(zai)有較大(da)的(de)(de)(de)電位差(cha)，將導致嚴(yan)重的(de)(de)(de)電化學(xue)腐蝕，盡管(guan)可以采取增加玻璃(li)布等保護措施來隔離(li)鋁合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)和(he)碳纖維，但(dan)表(biao)面涂層的(de)(de)(de)任何破(po)損都將導致鋁合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)快速腐蝕。對于關鍵結構，很難檢查或替換，為(wei)避免電化學(xue)腐蝕的(de)(de)(de)出(chu)現，應優先選用(yong)鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)。鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)這(zhe)一特性(xing)，也(ye)使(shi)其在(zai)(zai)鋁合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)與(yu)復合(he)(he)(he)(he)材料結構之間的(de)(de)(de)界面中，得到大(da)量應用(yong)。與(yu)鋁合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)相比，鈦(tai)(tai)(tai)合(he)(he)(he)(he)金(jin)(jin)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)結構壽(shou)命(ming)60%。而且其熱膨脹系數低(di)，當與(yu)CFRP結構連接在(zai)(zai)一起時(shi)，能(neng)夠(gou)降低(di)高(gao)熱載。

3、鈦合金在典型民用飛(fei)機(ji)機(ji)體結構上(shang)的應用

3.1鈦合金(jin)在(zai)波音系列飛機(ji)上的(de)應用

鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)在波(bo)(bo)音系列飛機(ji)上(shang)的(de)(de)應(ying)用(yong)，是隨(sui)著(zhu)鋁合(he)(he)金(jin)和(he)鋼(gang)用(yong)量(liang)的(de)(de)減(jian)少而(er)逐步增加(jia)的(de)(de)，B777飛機(ji)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)用(yong)量(liang)為7%，由于復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)全面(mian)使用(yong)，鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)在B787飛機(ji)上(shang)的(de)(de)用(yong)量(liang)達到了創(chuang)紀錄的(de)(de)15%，這標志著(zhu)鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)在現(xian)代復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)民用(yong)飛機(ji)中的(de)(de)重要作用(yong)逐漸顯現(xian)出來。波(bo)(bo)音系列飛機(ji)材(cai)料(liao)(liao)比例如圖1所示，鈦(tai)(tai)合(he)(he)金(jin)的(de)(de)應(ying)用(yong)比例隨(sui)著(zhu)每一個重要商業飛機(ji)的(de)(de)產生而(er)增加(jia)。

圖1波音(yin)系列飛機(ji)材料(liao)比例

3.1.1鈦合金(jin)在B777上的應用(yong)

在B777上，鈦(tai)合(he)金主要應(ying)用(yong)于早期CFRP結構，來(lai)避免(mian)采用(yong)鋁合(he)金造成的(de)(de)(de)電化(hua)腐蝕(shi)，大幅度(du)提高(gao)了(le)(le)飛(fei)機的(de)(de)(de)損傷容(rong)限。將Ti－10V－2Fe－3Al鈦(tai)合(he)金應(ying)用(yong)于B777的(de)(de)(de)主起(qi)落架轉向架梁上，單個鈦(tai)合(he)金鍛件重(zhong)量當時達到(dao)了(le)(le)最大。這一設計減重(zhong)幅度(du)非常大，與高(gao)強度(du)鋼的(de)(de)(de)起(qi)落架部(bu)件相連接，沒有產生典型的(de)(de)(de)腐蝕(shi)和表面(mian)損壞。另一個主要進(jin)步是，B777選擇了(le)(le)β－21S鈦(tai)合(he)金用(yong)于發動機塞、整流罩和噴嘴等熱(re)結構，其高(gao)抗氧(yang)化(hua)性大幅度(du)降低了(le)(le)排氣部(bu)件的(de)(de)(de)重(zhong)量。

3.1.2鈦合金(jin)在B787上的(de)應用

鈦合金在(zai)B787上的(de)(de)使用比例為破紀錄的(de)(de)15%。一方(fang)面是傳統(tong)部位的(de)(de)采用，如(ru)吊掛、起落架結構等；另一方(fang)面，由于(yu)B787飛機復合材(cai)料用量(liang)的(de)(de)大幅增加以及鈦合金與復材(cai)相容性好的(de)(de)特點(dian)，鈦合金在(zai)某些部位也取代了鋁合金。

吊(diao)掛是飛(fei)機的(de)(de)(de)關鍵(jian)部件，B787在其吊(diao)掛結構上(shang)(shang)采用(yong)了(le)新(xin)型(xing)的(de)(de)(de)Ti－5Al－5V－5Mo－3Cr近(jin)β型(xing)合金，具(ju)有較高的(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)，靜強(qiang)度(du)(du)優于傳統的(de)(de)(de)Ti－6Al－4V，主要(yao)應用(yong)于比較重要(yao)的(de)(de)(de)上(shang)(shang)連桿(gan)和(he)吊(diao)掛接(jie)頭結構，側連桿(gan)則采用(yong)了(le)普通(tong)的(de)(de)(de)Ti－6Al－4V，既滿足傳力要(yao)求，又能滿足運營溫度(du)(du)要(yao)求。鈦合金在B787吊(diao)掛結構上(shang)(shang)的(de)(de)(de)應用(yong)如圖2所(suo)示。

圖2鈦合金在B787吊掛結構上的(de)應用(yong)

B787機身為全復合(he)材料結構，包括機身蒙皮、長(chang)桁(heng)、普通框和剪切(qie)角片等。而在載(zai)(zai)荷(he)復雜的(de)中機身，所有側邊框包括前后壓力隔框都普遍采用(yong)鈦合(he)金(jin)結構以承受高(gao)載(zai)(zai)，B787中機身框結構如圖3所示。

圖3 B787中機身框(kuang)結(jie)構(gou)

B787大開(kai)口加強結構(gou)中(zhong)的加強框(kuang)，采(cai)用(yong)了Ti－6Al－4V桿狀鍛件機(ji)加結構(gou)。相比(bi)于復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)框(kuang)，鈦(tai)合(he)(he)金(jin)具有良好的抗沖擊性(xing)，可以(yi)避(bi)免旅客、貨物對門框(kuang)意外撞擊造成損傷(shang)。相比(bi)于鋁合(he)(he)金(jin)，鈦(tai)合(he)(he)金(jin)不僅與復(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)機(ji)身壁(bi)板具有很好的相容(rong)性(xing)，結構(gou)效率(lv)也要高出很多，能夠更好的對大開(kai)口進行加強，并在一(yi)定程度上(shang)降低結構(gou)高度，節省內部空間。為避(bi)免腐蝕，B787座(zuo)椅(yi)滑軌(gui)也采(cai)用(yong)了鈦(tai)合(he)(he)金(jin)擠(ji)壓型材(cai)。

B787的(de)其他關(guan)鍵部(bu)位，尤其是與(yu)(yu)復合(he)材料外翼前(qian)后梁(liang)(liang)連(lian)(lian)接(jie)(jie)的(de)各(ge)類接(jie)(jie)頭，普遍采用了(le)鈦合(he)金。包括(kuo)與(yu)(yu)發(fa)動(dong)機吊掛(gua)連(lian)(lian)接(jie)(jie)的(de)接(jie)(jie)頭、與(yu)(yu)主起落(luo)架連(lian)(lian)接(jie)(jie)接(jie)(jie)頭，襟翼滑軌接(jie)(jie)頭、機翼梁(liang)(liang)接(jie)(jie)頭等，部(bu)分(fen)接(jie)(jie)頭零件的(de)選(xuan)材情況(kuang)如圖4所示。

圖4與B787機(ji)翼連(lian)接的部分鈦合(he)金接頭

3.2鈦合金(jin)在空客飛機上的應用

鈦(tai)合金(jin)在空客(ke)系列飛機上的(de)(de)使用量(liang)(liang)一直(zhi)比較穩定，低(di)于(yu)鋼(gang)的(de)(de)用量(liang)(liang)。隨著(zhu)復(fu)合材料用量(liang)(liang)的(de)(de)逐(zhu)(zhu)漸增加，鋼(gang)的(de)(de)用量(liang)(liang)逐(zhu)(zhu)漸減少(shao)，在A350飛機上復(fu)合材料用量(liang)(liang)達(da)到了52%，鈦(tai)合金(jin)也超過(guo)了鋼(gang)的(de)(de)用量(liang)(liang)，達(da)到了14%，如圖5所示。

圖5 空客系列(lie)飛機結構材料(liao)的(de)比例

3.2.1鈦合金在A380飛(fei)機上(shang)的應用

A380是目前世界(jie)上(shang)最大(da)(da)(da)的民(min)用飛機(ji)，以鋁合(he)金(jin)為主要(yao)材(cai)料。A380的選材(cai)和設計代表(biao)著先(xian)進民(min)用飛機(ji)選材(cai)和設計的趨勢。相較于以往機(ji)型，A380鈦(tai)合(he)金(jin)的使用比例沒有明顯增加，但由于機(ji)身整體(ti)重量(liang)大(da)(da)(da)，鈦(tai)合(he)金(jin)的總用量(liang)是相當(dang)大(da)(da)(da)的。在機(ji)身的關鍵部位(wei)，都采用了(le)鈦(tai)合(he)金(jin)，尤其是重要(yao)的連接位(wei)置。A380飛機(ji)鈦(tai)合(he)金(jin)分布(bu)情(qing)況如圖6所示，主起落架采用Ti－10V－2Fe－3Al，每件(jian)重量(liang)達3 120kg。

圖6 鈦合(he)金在(zai)A380飛機上的主要分(fen)布

空中客車(che)公司(si)第(di)一次(ci)采(cai)(cai)用(yong)全(quan)鈦(tai)(tai)設計了A380吊掛的主要(yao)結構。主要(yao)采(cai)(cai)用(yong)最(zui)常用(yong)的鈦(tai)(tai)合金Ti－6Al－4V，如圖(tu)7所(suo)示，其(qi)在β退火狀態(tai)下具有(you)最(zui)大的斷裂(lie)韌性和最(zui)小的裂(lie)紋增長(chang)速度，使得吊掛的疲勞性能(neng)得到較大改善。

圖(tu)7鈦(tai)合金在A380吊掛結構上的應用(yong)

此外，在A380上第一(yi)次采用(yong)了新(xin)型(xing)鈦合(he)金VST55531，這種(zhong)新(xin)的(de)鈦合(he)金是空中(zhong)客(ke)車公(gong)司與俄羅(luo)斯制造商共(gong)同研發的(de)，能夠為設計者提供良好的(de)斷裂韌(ren)性和較高強(qiang)度的(de)綜合(he)性能匹(pi)配。該合(he)金目前用(yong)于A380飛機(ji)機(ji)翼和掛架之間的(de)連接(jie)件，進一(yi)步的(de)應用(yong)還在研究之中(zhong)。

3.2.2鈦合(he)金(jin)在A350XWB飛機(ji)上的應用

A350XWB是(shi)目前世界上(shang)除B787以外應(ying)用(yong)(yong)復合(he)材料最(zui)多(duo)的(de)(de)機型。由于鈦合(he)金(jin)與復合(he)材料良好的(de)(de)相(xiang)容(rong)性，鈦合(he)金(jin)的(de)(de)用(yong)(yong)量往往隨著復合(he)材料用(yong)(yong)量的(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)而增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)。2005年，A350計劃(hua)采用(yong)(yong)40%的(de)(de)復合(he)材料和9%的(de)(de)鈦合(he)金(jin)；2007年，迫于B787的(de)(de)壓力，A350XWB將復合(he)材料用(yong)(yong)量增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到了52%，相(xiang)應(ying)地，鈦合(he)金(jin)的(de)(de)用(yong)(yong)量也增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)到了14%，如圖8所示，兩種材料的(de)(de)百(bai)分比基本與B787持(chi)平。

圖8 A350（XWB）鈦合金用(yong)量(liang)隨復(fu)合材(cai)料用(yong)量(liang)的變化(hua)

與(yu)A380相似(si)，A350XWB飛(fei)機將鈦(tai)合金應用(yong)于吊掛主結構(gou)，并增加了(le)起落架(jia)結構(gou)鈦(tai)合金的用(yong)量，在活塞、轉向(xiang)架(jia)、扭力臂和側撐桿等(deng)部位也都采用(yong)了(le)鈦(tai)合金（如圖9所(suo)示）。事實(shi)證明(ming)鈦(tai)合金具有(you)很好的耐(nai)(nai)高(gao)溫、耐(nai)(nai)腐蝕性能，采用(yong)鈦(tai)合金實(shi)現了(le)減重，提供了(le)較(jiao)高(gao)的可靠(kao)性和較(jiao)低的維(wei)護(hu)費用(yong)。

圖9 鈦合金在(zai)A350XWB吊(diao)掛(gua)與起(qi)落(luo)架(jia)上的應用

由于(yu)(yu)大范圍使用復(fu)合(he)材料(liao)(liao)，而(er)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)與(yu)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)的(de)相容性比(bi)鋁合(he)金(jin)(jin)(jin)好，在A350XWB飛機上(shang)，鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)在很多(duo)(duo)結(jie)構上(shang)代替(ti)了(le)傳統鋁合(he)金(jin)(jin)(jin)，典型(xing)的(de)如(ru)門(men)加強(qiang)框(kuang)。空(kong)客認(ren)為，選擇鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)主要原因(yin)是門(men)框(kuang)上(shang)存在大量的(de)連接件(jian)，如(ru)門(men)擋塊，這些連接件(jian)在安裝后可能仍需調整(zheng)才能達到正確的(de)位置，裝配中(zhong)易(yi)(yi)產(chan)生劃痕和錯(cuo)誤的(de)鉆孔(kong)，鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)對于(yu)(yu)這些損(sun)傷的(de)敏感(gan)度比(bi)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)低得多(duo)(duo)。同樣，采用鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)材料(liao)(liao)，裝配后的(de)門(men)框(kuang)組件(jian)也比(bi)較容易(yi)(yi)修理。基于(yu)(yu)易(yi)(yi)受損(sun)的(de)原因(yin)，門(men)上(shang)部(bu)楣梁及(ji)其延伸(shen)段和下部(bu)檻梁也選擇了(le)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)作為結(jie)構材料(liao)(liao)，如(ru)圖10所示。A350還將(jiang)鈦(tai)合(he)金(jin)(jin)(jin)用于(yu)(yu)機翼結(jie)構、座椅滑(hua)軌、尾錐和APU艙防(fang)火墻(qiang)等。

圖10 A350登機門口框結構

3.3鈦合(he)金在(zai)龐(pang)巴迪(di)C系列（CS100和CS300型）飛(fei)機上的應用 

作(zuo)為即將(jiang)服役的(de)新機，C系列飛機鈦合金的(de)用量達到了8%的(de)較(jiao)高(gao)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(liao)使用(yong)情況(kuang)

C系(xi)列也在機身(shen)關(guan)鍵位置(zhi)采(cai)(cai)用(yong)了鈦(tai)合(he)(he)金(jin)，如發動機吊(diao)掛(gua)、平(ping)尾懸掛(gua)接頭等，中機身(shen)后(hou)(hou)(hou)梁框采(cai)(cai)用(yong)了鈦(tai)合(he)(he)金(jin)Ti－6AlV4V。鈦(tai)合(he)(he)金(jin)后(hou)(hou)(hou)梁框與(yu)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)中央(yang)翼(yi)盒(he)相容性好(hao)，更重要的(de)是將鋁鋰(li)合(he)(he)金(jin)后(hou)(hou)(hou)梁框更改為鈦(tai)合(he)(he)金(jin)后(hou)(hou)(hou)梁框后(hou)(hou)(hou)，不僅(jin)提高(gao)了材(cai)料(liao)的(de)耐腐蝕性和疲勞(lao)性能，根據計算還能夠減重約20kg，這是一個非常可觀(guan)的(de)數(shu)據。在鋁鋰(li)合(he)(he)金(jin)中后(hou)(hou)(hou)機身(shen)和復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)后(hou)(hou)(hou)機身(shen)的(de)界面中，采(cai)(cai)用(yong)了鈦(tai)合(he)(he)金(jin)連接角材(cai)與(yu)后(hou)(hou)(hou)部(bu)復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)壓(ya)力隔框進行連接，以避免電化腐蝕現象的(de)發生，并提高(gao)疲勞(lao)壽命。

根據高溫區需(xu)要，C系(xi)列APU防火墻采(cai)(cai)用(yong)純鈦(tai)薄板(ban)，尾錐對接框采(cai)(cai)用(yong)Ti－6Al－4V厚(hou)板(ban)機(ji)加結構(gou)；航燈整流罩、進(jin)氣道(dao)穩壓(ya)室、APU消音(yin)器等(deng)也采(cai)(cai)用(yong)了(le)鈦(tai)合金；考(kao)慮強度、剛度和耐(nai)沖擊(ji)性，一些重要的(de)接頭和艙門(men)擋塊等(deng)普遍選擇了(le)鈦(tai)合金材料。鈦(tai)合金在C系(xi)列飛機(ji)尾錐上的(de)應用(yong)如圖12所(suo)示(shi)。

圖12鈦合金在C系列尾(wei)錐上的應用

3.4鈦(tai)合金緊固件在(zai)復合材料結(jie)構中的應用

隨著(zhu)現代(dai)飛機(ji)復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)用(yong)(yong)量(liang)的(de)(de)急(ji)劇增加(jia)，鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件數(shu)量(liang)隨之大(da)量(liang)增加(jia)。緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)選用(yong)(yong)受到飛機(ji)性(xing)能(neng)、環境、結構等(deng)多種(zhong)因素的(de)(de)影響。對于復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)結構，其緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)選擇主要從電(dian)位和比(bi)(bi)強度(du)(du)進(jin)行考(kao)慮(lv)。從電(dian)位來(lai)講，復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件是(shi)最適(shi)合(he)(he)(he)的(de)(de)，但其難以滿足高強度(du)(du)、抗疲(pi)勞等(deng)性(xing)能(neng)要求，一(yi)般(ban)只能(neng)用(yong)(yong)于特殊部位；其次是(shi)不銹(xiu)鋼，但其比(bi)(bi)強度(du)(du)較低，也(ye)不適(shi)合(he)(he)(he)大(da)量(liang)采用(yong)(yong)。兼顧高比(bi)(bi)強度(du)(du)和低電(dian)位差，鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)成為復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)結構用(yong)(yong)緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件的(de)(de)最佳材(cai)(cai)(cai)料(liao)，無論是(shi)鉚釘，還是(shi)螺(luo)栓、單面緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件等(deng)，都大(da)量(liang)采用(yong)(yong)鈦(tai)合(he)(he)(he)金(jin)材(cai)(cai)(cai)料(liao)。通(tong)常，對于復(fu)合(he)(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)機(ji)械連(lian)接(jie)(jie)(jie)（包(bao)括螺(luo)接(jie)(jie)(jie)和鉚接(jie)(jie)(jie)），螺(luo)接(jie)(jie)(jie)類(lei)緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)常選用(yong)(yong)Ti－6Al－4V；鉚接(jie)(jie)(jie)類(lei)緊(jin)(jin)(jin)固(gu)(gu)件材(cai)(cai)(cai)料(liao)常選用(yong)(yong)純鈦(tai)和鈦(tai)鈮(ni)合(he)(he)(he)金(jin)（55Ti－45Cb），原因是(shi)其能(neng)防(fang)止(zhi)電(dian)偶腐蝕和具(ju)有高的(de)(de)比(bi)(bi)強度(du)(du)，鉚接(jie)(jie)(jie)性(xing)能(neng)（延(yan)展性(xing)）也(ye)較好。

4結束語

隨著復合(he)(he)材料逐(zhu)(zhu)漸成為民(min)用(yong)飛機(ji)機(ji)體的主要材料，鈦(tai)合(he)(he)金在(zai)民(min)用(yong)飛機(ji)上(shang)應用(yong)的百分比也(ye)逐(zhu)(zhu)漸增加，鈦(tai)合(he)(he)金材料應用(yong)面(mian)(mian)臨著前所(suo)未有的機(ji)遇。除(chu)了傳統部位(wei)，如吊掛、起落架等結構外，也(ye)逐(zhu)(zhu)漸應用(yong)于大開口加強結構、座椅(yi)滑(hua)軌、APU防火墻等部位(wei)，尤(you)其是機(ji)身、機(ji)翼上(shang)重要的接(jie)頭零件和界面(mian)(mian)零件，鈦(tai)合(he)(he)金的使(shi)用(yong)范圍(wei)在(zai)不斷地擴大。

由于鈦(tai)合金的(de)固有屬性，導致其成(cheng)本高、加(jia)工和成(cheng)型相對困難，使(shi)其在大(da)量(liang)應用(yong)方面(mian)面(mian)臨(lin)著較大(da)的(de)挑戰(zhan)。研發(fa)和利用(yong)綜合高性能的(de)鈦(tai)合金材料，提高鈦(tai)合金加(jia)工與制造工藝，是現代民用(yong)飛機的(de)發(fa)展趨(qu)勢(shi)。

作(zuo)者：張寶(bao)柱，孫(sun)潔瓊中航(hang)沈飛(fei)民用飛(fei)機有(you)限責任(ren)公司工程研發(fa)中心(xin)

來(lai)源：《航空工程(cheng)進(jin)展》雜志