鈦合金在民用飛機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

呂冬蘭

（中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，工程研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

鈦及鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鈦合金零件的成形方式不受限制，并且可焊接和機(jī)械加工，因此，在航空工業(yè)中鈦合金被用于制造飛機(jī)上各種零件（如較小的螺釘、螺母等緊固件，較大的機(jī)身骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、蒙皮、隔框和起落架等結(jié)構(gòu)件）。目前，先進(jìn)的民用飛機(jī)普遍提高了鈦合金的用量[1-3]，鈦及鈦合金已成為民用飛機(jī)不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。

1 鈦合金在民用飛機(jī)中的應(yīng)用

由于鈦合金材料的密度小、比強(qiáng)度高，并且與碳纖維復(fù)合材料的相容性較好等特點(diǎn)，因此，鈦合金作為航空結(jié)構(gòu)材料得到了廣泛的應(yīng)用。

B777上大約采用了8%的鈦合金，可鍛性好的近β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al用作B777的起落架，每架用鈦5.9t。具有抗氧化性及腐蝕性的Ti-15Mo-10.7Nb-3Al-0.2Si主要用于后整流罩[1]。B787飛機(jī)除了吊掛、起落架結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)部位使用鈦合金外，由于B787飛機(jī)復(fù)合材料用量的大幅度增加，以及鈦合金和復(fù)合材料相容性好的特點(diǎn)，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金，使B787飛機(jī)上的鈦用量達(dá)到了15%。

空中客車飛機(jī)的鈦合金用量比較穩(wěn)定，比鋼的用量低，但隨著復(fù)合材料用量的逐漸增加，鋼的用量減少，而鈦合金的用量逐漸增加。例如空中客車復(fù)合材料的用量從第三代客機(jī)A320的5.5%增至第四代客機(jī)A340的8%，相應(yīng)的鈦用量從4.5%增至6%，A380客機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到25%，鈦合金用量增至10%。除波音787外，A350是目前應(yīng)用復(fù)合材料最多的機(jī)型，用量約為52%，相應(yīng)鈦合金的用量也增加到14%。A350客機(jī)使用鈦合金的主要部位包括發(fā)動(dòng)機(jī)懸架、艙門、機(jī)翼結(jié)構(gòu)、座椅導(dǎo)軌、起落架、和輔助動(dòng)力艙的隔熱屏等。

C系列飛機(jī)鈦合金的用量達(dá)到了8%。中機(jī)身后梁框和尾錐對(duì)接框采用了與符合材料相容性好的Ti-6Al-4V，APU防火墻采用了純鈦薄板，考慮強(qiáng)度、剛度和耐沖擊性，艙門擋塊和一些重要的接頭等普遍選用了鈦合金材料。

我國(guó)一些飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)中的鈦合金用量也在不斷提高，商用客機(jī)ARJ21的鈦合金用量為4.8%，而C919客機(jī)用鈦量已達(dá)到9.3%，和波音777相比略高，波音777為8%。C919飛機(jī)上應(yīng)用的鈦合金有CP-3、Ti-6Al-4V和Ti-55531等，主要部位有機(jī)頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。

2 鈦合金產(chǎn)品近凈成型工藝特點(diǎn)及應(yīng)用

由于鈦合金熱導(dǎo)率低，機(jī)加工時(shí)產(chǎn)生的熱量不易散失，引起刀具溫度升高，粘刀，刀具磨損嚴(yán)重導(dǎo)致零件加工效率低，產(chǎn)品交付周期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，使鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。因此，近凈成型技術(shù)是鈦合金產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。近凈成型工藝包括等溫鍛造（固態(tài)成型）、熔模精密鑄造（液態(tài)成型）和粉末激光成型。

2.1 熔模精密鑄造

熔模精密鑄造同其他鑄造方法和零件成形方法相比較，具有以下基本特點(diǎn)：①鑄件尺寸精確、表面粗糙度低；②能夠鑄造形狀復(fù)雜的鑄件；③可以提高金屬材料的利用率，并且生產(chǎn)靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)。B777客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝框架采用鈦合金精鑄件，這是首次在民機(jī)上獲得成功應(yīng)用。由于客機(jī)在安全可靠性方面要求高，因此，具有重要意義。英國(guó)Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術(shù)制成的鈦合金剎車扭力管用于A380客機(jī)，這是歐洲首次采用鈦合金剎車扭力管精鑄件取代以往的鍛件[3，4]。

2.2 等溫鍛造

等溫鍛造與常規(guī)鍛造相比的優(yōu)點(diǎn)是①能夠密切控制鍛件尺寸，可鍛出形狀復(fù)雜精度高的鍛件，并節(jié)省原料，減少機(jī)加工，降低成本；②鍛造載荷小，所需成型設(shè)備噸位小；③產(chǎn)品具有均勻一致的微觀組織，粗晶粒較少，機(jī)械性能較好。等溫鍛造工藝將成為國(guó)內(nèi)外鈦合金鍛件生產(chǎn)工藝的重要發(fā)展方向。目前，采用等溫鍛造的鈦合金鍛件產(chǎn)品已應(yīng)用于民用飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，近β高強(qiáng)高韌鈦合金Ti1023用于波音777飛機(jī)的起落架部件中，使得波音777飛機(jī)上的鈦用量幾乎翻了一番，每架飛機(jī)減重近270kg。A380使用Ti1023合金大型鍛件作為主起落架的傳動(dòng)裝置。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，鈦合金鍛件也是不可或缺的材料，典型的使用部位有風(fēng)扇葉片、盤件和壓氣機(jī)葉片。

2.3 粉末激光成型

鈦合金粉末激光成型技術(shù)是一種基于“高功率激光熔覆”＋“快速原型制造”技術(shù)。采用高能激光束熔化鈦合金粉末，熔化的鈦合金粉末以微小液滴的形式在基材上凝固，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的激光頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)，逐層堆積，獲得所需零件外形。鈦合金粉末激光成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：①成型過(guò)程不需要模具；②無(wú)需大型鍛造設(shè)備，前期投入少。③毛坯的后續(xù)加工量小，提高材料利用率。該技術(shù)有助于推動(dòng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件向整體化發(fā)展，減少連接件數(shù)量，縮短裝配時(shí)間，可達(dá)到增效減重、降低成本的雙重效果。適用于制造大型、曲面復(fù)雜、裝配要求高的結(jié)構(gòu)件，目前，該技術(shù)已成功用于C919的機(jī)頭天窗骨架。

3 我國(guó)航空用鈦合金的發(fā)展趨勢(shì)

民用飛機(jī)的選材原則側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性和安全性。迄今為止民用飛機(jī)上鈦的用量均小于15%。有些零部件選用鈦合金后即使可以減輕結(jié)構(gòu)重量，但在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)就可能不再選用，而采用鋁合金替代。因此，我國(guó)航空界和材料界應(yīng)充分重視相關(guān)鈦合金材料及其熱工藝的研究開發(fā)和應(yīng)用工作，不斷提高使用性能，降低生產(chǎn)成本，以滿足民用飛機(jī)發(fā)展的需求。

3.1 研究高性能航空鈦合金材料

盡管鈦合金有良好的綜合性能，但現(xiàn)有鈦合金的強(qiáng)度仍不能完全滿足航空領(lǐng)域的應(yīng)用，其強(qiáng)韌性仍不如超高強(qiáng)韌合金鋼，因此，需要繼續(xù)研制抗拉強(qiáng)度高并且韌性良好的高強(qiáng)鈦合金。

3.2 擴(kuò)大航空鈦合金精密鑄件的應(yīng)用范圍

與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件能夠大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期，并可批量生產(chǎn)。我國(guó)鈦合金精密鑄造技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快，已廣泛應(yīng)用于航天和軍工等領(lǐng)域，但由于航空鈦合金鑄件內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量要求很高，關(guān)鍵航空部件還很難采用鈦合金鑄件，并且目前我國(guó)的鈦合金鑄件的成品率還不是很高，因此，我國(guó)航空鈦合金精密鑄造技術(shù)需要提升。

3.3 研制低成本航空鈦合金

目前，鈦合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，從20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用以來(lái)，由于其具有良好的綜合力學(xué)性能，并且能夠減輕零件本身的重量，至今備受航空領(lǐng)域的青睞，但因鈦合金中含有昂貴的Nb、Mo和V元素，導(dǎo)致原材料成本較高，因此，低成本航空鈦合金受到極大的關(guān)注，用便宜的Fe元素替代昂貴的Nb、Mo和V等元素[4]，在保證強(qiáng)度和韌性均滿足材料的性能要求時(shí)，降低鈦合金原材料的成本。

[1]黃張洪，曲恒磊等.航空用鈦及鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011,25(1):102-107

[2]李重河，朱明等.鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用[J].稀有金屬，2009,33(1):84-91

[3]楊建.鈦合金在飛機(jī)上的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2006(11):41-43

[4]朱知濤，商國(guó)強(qiáng)，王新南等.低成本高性能鈦合金研究進(jìn)展[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2012,29(6):1-5