鈦合金在民用飛機上的應用及發展趨勢

呂冬蘭

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，工程研發中心，遼寧 沈陽 110000）

鈦及鈦合金由于具有比強度高、耐蝕性好、耐高溫等優點，因而在航空領域得到廣泛應用。鈦合金零件的成形方式不受限制，并且可焊接和機械加工，因此，在航空工業中鈦合金被用于制造飛機上各種零件（如較小的螺釘、螺母等緊固件，較大的機身骨架、發動機葉片、蒙皮、隔框和起落架等結構件）。目前，先進的民用飛機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不可缺少的結構材料。

1 鈦合金在民用飛機中的應用

由于鈦合金材料的密度小、比強度高，并且與碳纖維復合材料的相容性較好等特點，因此，鈦合金作為航空結構材料得到了廣泛的應用。

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飛機除了吊掛、起落架結構等傳統部位使用鈦合金外，由于B787飛機復合材料用量的大幅度增加，以及鈦合金和復合材料相容性好的特點，鈦合金在某些部位也取代了鋁合金，使B787飛機上的鈦用量達到了15%。

空中客車飛機的鈦合金用量比較穩定，比鋼的用量低，但隨著復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。例如空中客車復合材料的用量從第三代客機A320的5.5%增至第四代客機A340的8%，相應的鈦用量從4.5%增至6%，A380客機的復合材料用量達到25%，鈦合金用量增至10%。除波音787外，A350是目前應用復合材料最多的機型，用量約為52%，相應鈦合金的用量也增加到14%。A350客機使用鈦合金的主要部位包括發動機懸架、艙門、機翼結構、座椅導軌、起落架、和輔助動力艙的隔熱屏等。

C系列飛機鈦合金的用量達到了8%。中機身后梁框和尾錐對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。

我國一些飛機機體結構中的鈦合金用量也在不斷提高，商用客機ARJ21的鈦合金用量為4.8%，而C919客機用鈦量已達到9.3%，和波音777相比略高，波音777為8%。C919飛機上應用的鈦合金有CP-3、Ti-6Al-4V和Ti-55531等，主要部位有機頭、吊掛、尾翼、外翼和中央翼盒等。

2 鈦合金產品近凈成型工藝特點及應用

由于鈦合金熱導率低，機加工時產生的熱量不易散失，引起刀具溫度升高，粘刀，刀具磨損嚴重導致零件加工效率低，產品交付周期較長等缺點，使鈦合金在航空領域的應用受到限制。因此，近凈成型技術是鈦合金產品未來的發展趨勢。近凈成型工藝包括等溫鍛造（固態成型）、熔模精密鑄造（液態成型）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：①鑄件尺寸精確、表面粗糙度低；②能夠鑄造形狀復雜的鑄件；③可以提高金屬材料的利用率，并且生產靈活性高、適應性強。B777客機的發動機后安裝框架采用鈦合金精鑄件，這是首次在民機上獲得成功應用。由于客機在安全可靠性方面要求高，因此，具有重要意義。英國Doncasters公司采用離心熔模精鑄技術制成的鈦合金剎車扭力管用于A380客機，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

等溫鍛造與常規鍛造相比的優點是①能夠密切控制鍛件尺寸，可鍛出形狀復雜精度高的鍛件，并節省原料，減少機加工，降低成本；②鍛造載荷小，所需成型設備噸位小；③產品具有均勻一致的微觀組織，粗晶粒較少，機械性能較好。等溫鍛造工藝將成為國內外鈦合金鍛件生產工藝的重要發展方向。目前，采用等溫鍛造的鈦合金鍛件產品已應用于民用飛機和發動機，近β高強高韌鈦合金Ti1023用于波音777飛機的起落架部件中，使得波音777飛機上的鈦用量幾乎翻了一番，每架飛機減重近270kg。A380使用Ti1023合金大型鍛件作為主起落架的傳動裝置。在飛機發動機中，鈦合金鍛件也是不可或缺的材料，典型的使用部位有風扇葉片、盤件和壓氣機葉片。

2.3 粉末激光成型

鈦合金粉末激光成型技術是一種基于“高功率激光熔覆”＋“快速原型制造”技術。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，通過計算機控制的激光頭往復運動，逐層堆積，獲得所需零件外形。鈦合金粉末激光成型技術的優點是：①成型過程不需要模具；②無需大型鍛造設備，前期投入少。③毛坯的后續加工量小，提高材料利用率。該技術有助于推動飛機結構件向整體化發展，減少連接件數量，縮短裝配時間，可達到增效減重、降低成本的雙重效果。適用于制造大型、曲面復雜、裝配要求高的結構件，目前，該技術已成功用于C919的機頭天窗骨架。

3 我國航空用鈦合金的發展趨勢

民用飛機的選材原則側重于經濟性和安全性。迄今為止民用飛機上鈦的用量均小于15%。有些零部件選用鈦合金后即使可以減輕結構重量，但在綜合考慮經濟性時就可能不再選用，而采用鋁合金替代。因此，我國航空界和材料界應充分重視相關鈦合金材料及其熱工藝的研究開發和應用工作，不斷提高使用性能，降低生產成本，以滿足民用飛機發展的需求。

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，但現有鈦合金的強度仍不能完全滿足航空領域的應用，其強韌性仍不如超高強韌合金鋼，因此，需要繼續研制抗拉強度高并且韌性良好的高強鈦合金。

3.2 擴大航空鈦合金精密鑄件的應用范圍

與鈦合金鍛件相比，鈦合金精密鑄件能夠大大降低產品的生產成本和生產周期，并可批量生產。我國鈦合金精密鑄造技術近年來發展較快，已廣泛應用于航天和軍工等領域，但由于航空鈦合金鑄件內部質量和表面質量要求很高，關鍵航空部件還很難采用鈦合金鑄件，并且目前我國的鈦合金鑄件的成品率還不是很高，因此，我國航空鈦合金精密鑄造技術需要提升。

3.3 研制低成本航空鈦合金

目前，鈦合金作為飛機結構材料，從20世紀60年代開始應用以來，由于其具有良好的綜合力學性能，并且能夠減輕零件本身的重量，至今備受航空領域的青睞，但因鈦合金中含有昂貴的Nb、Mo和V元素，導致原材料成本較高，因此，低成本航空鈦合金受到極大的關注，用便宜的Fe元素替代昂貴的Nb、Mo和V等元素[4]，在保證強度和韌性均滿足材料的性能要求時，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展及應用[J].材料導報，2011,25(1):102-107

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

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

[4]朱知濤，商國強，王新南等.低成本高性能鈦合金研究進展[J].鈦工業進展，2012,29(6):1-5