鈦合金在軌道交通車輛中的應用現狀

莢利宏，王 婷，于承雪，張心周，魏家麒，楊 欣

（1.國家高速列車青島技術創新中心，山東 青島 266111；2.中鈦國創（青島）科技有限公司，山東 青島 266111；3.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

軌道交通是一種安全、舒適、環保及節能的綠色交通，是我國公共交通的重要組成部分。軌道交通建設規模逐年擴大、運營網絡增多，能耗大幅增長，牽引能耗在軌道交通中占總電耗的30%左右，若車輛重量減輕10%，能耗可降低6%～8%[1]。

隨著國內大力推進軌道交通建設，“十四五”期間軌道交通裝備產業同樣處于快速增長的發展機遇期。軌道交通裝備在新材料、新技術和新工藝方面，尤其是在裝備的輕量化、譜系化、高速重載化和綠色智能化等方向上，其發展需求更加迫切。鈦合金因具有密度小、比強度高、可焊性好及耐腐蝕性好等特點，已受到軌道交通行業的重點關注，并逐步開展了相關產品的鈦合金化可行性研究和上車應用。

2022年4月21日，我國自主研發的新型復興號高速綜合檢測列車成功實現相對交會時速870 km，創造了高鐵動車組列車明線交會速度世界紀錄，標志著國家“十四五”規劃的“CR450科技創新工程”已經全面展開。從CR400到CR450，速度提高50 km/h，這對材料的安全性、強度和輕量化也提出了更高的要求。

1 鈦合金特點

鈦及鈦合金具有優異的綜合力學性能，在航空航天、艦船武器、化學工業和海洋建筑等方面得到了廣泛的應用，被譽為“空中金屬”“海洋金屬”“正在崛起的第三金屬”[2-3]。

鈦及鈦合金的性能優勢主要有以下幾點。

1）密度小，比強度高（強度和密度比值）。鈦合金的密度為4.5 g/cm3左右，比強度位于金屬之首。比強度越高說明滿足相應結構強度時，需要的材料質量越輕，能夠使結構設計更加緊湊，大幅減小結構重量，進而提高裝備的安全性。

2）可焊性好。鈦合金適用TIG焊、激光焊及電子束焊接等焊接方法，其焊縫強度可達到基體強度的90%以上，如有焊接缺陷，可進行二次焊接修復。

3）耐腐蝕性好。鈦及鈦合金表面易形成氧化膜而不受腐蝕，且膜破損后愈合能力強。在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優于不銹鋼。因此，采用鈦合金可無須涂層保護。

4）抗疲勞性能優異。美國戰略偵察機SR-7l采用鈦合金結構的機體，飛行高度達到30000 m，最大速度達到3.5倍音速，1966年開始服役，到1998年永久退役，在服役32年內機體未出現損壞。

5）與復合材料相容性好，優先作為碳纖維預埋件使用。隨著航空工業的發展，由于鈦合金比強度高、耐腐蝕，同時碳纖維增強復合材料（CFRP）具有比重小、剛性好和強度高等特點，因此這2種材料在航空業都得到了廣泛的應用。隨著復合材料在航空業的大量應用，鈦合金的用量也逐漸增加。相比其他金屬，鈦合金和復合材料的相容性更好，在飛機的某些部位逐漸取代了鋼和鋁合金[4]。

隨著軌道車輛輕量化的要求越來越高，碳纖維復合材料在軌道交通裝備上的應用逐漸增多，如車體、轉向架構架、司機室和設備艙等均有使用碳纖維復合材料進行試制[5]。預埋件常用的材料有鋁合金、鈦合金和鐵鎳合金。綜合考慮預埋金屬結構件的強度、輕量化、熱穩定性及與碳纖維電位差導致的電化學腐蝕問題，應優先選用鈦合金作為預埋件。

2 鈦合金在軌道交通車輛中的研究現狀

2.1 鈦合金轉向架構架

轉向架是軌道車輛最重要的組成部件之一，實現軌道車輛走行功能，其直接關系到車輛運行品質、動力性能和行車安全。構架是轉向架各個零部件組裝的載體，一般包括側梁、橫梁，以及相關設備安裝需要的懸掛吊座等。采用鈦合金構架，能夠實現高強度、輕量化的轉向架結構，減輕簧下質量和簧間質量，進而改善輪軌間的作用力，提高轉向架結構運用的安全性和運行可靠性。

才鶴等[6]在某鈦合金轉向架構架焊接中，采用鈦合金TA2和TA18，在滿足現有構架強度的基礎上，其總質量降低40%左右，如圖1、圖2所示。在鈦合金構架研制過程中，解決了鈦合金側梁組成焊接過程中變形量大、部分焊接接頭無法進行有效惰性氣體保護的技術工藝問題，焊后通過真空熱處理消除焊接殘余內應力，鈦合金構架滿足現有設計指標要求，為后續鈦合金構架的進一步結構優化和設計積累了基礎數據。

圖1 鈦合金構架側梁組成結構

圖2 鈦合金轉向架構架

2.2 鈦合金制動夾鉗

制動夾鉗作為制動系統的核心部件，其性能和功能直接影響到制動系統的運行狀態和品質。應用鈦合金制動夾鉗，可減輕簧下、簧間質量，提升運行品質，提高耐銹蝕能力；低溫環境下，結構強度性能更加穩定。

呂斐等[7]研制的鈦合金三點式制動夾鉗如圖3所示。吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導管、軛和杠桿等主要受載部件采用TC4鈦合金，共減重17.6 kg。對鈦合金制動夾鉗單元分別進行強度試驗、低壓和高壓常溫密封性試驗、常溫靈敏度試驗、一次間隙調整量試驗、最大間隙調整量試驗和緩解間隙試驗。試驗結果表明，鈦合金制動夾鉗單元均滿足功能指標要求，同時，通過了100萬次疲勞試驗和沖擊振動試驗。在-50℃的低溫環境下，保持48 h后，鈦合金制動夾鉗單元各項功能正常，說明鈦合金制動夾鉗的抗低溫性能較強，適合在高寒環境下應用。

圖3 鈦合金三點式制動夾鉗單元

2.3 鈦合金過渡車鉤

過渡車鉤是一種用于連接2種不同型號的車鉤，保證調車機車安全平穩地調運待檢修車輛，同時過渡車鉤在使用時需要人工頻繁裝卸[8-9]。根據UIC660規定，過渡車鉤單體重量不能超過50 kg，然而現有過渡車鉤結構笨重，在裝卸時需要多人同時搬運，若搬運中發生脫落事故，還會對維修人員造成人身傷害，因此在保證過渡車鉤使用安全性的前提下，對過渡車鉤進行輕量化設計是十分必要的。

薛白鴿[10]設計了一種輕量化鈦合金過渡車鉤，基于變密度法利用ANSYSWorkbench中的Shape Optimization模塊對過渡車鉤進行拓撲優化，根據拓撲優化結果對鈦合金過渡車鉤進行輕量化結構設計，得到的輕量化鈦合金過渡車鉤重42.15 kg，相較于原始E級鋼過渡車鉤減重58.15 kg，減重比高達57.98%。

中車某公司開發了一款鈦合金過渡車鉤，如圖4、圖5所示。單個模塊鉤體重量在20 kg左右，單人便可完成整個操作過程。在750 kN拉伸載荷試驗和850 kN壓縮載荷試驗時，車鉤鉤體未發生斷裂，如圖6所示。卸載后對車鉤鉤體進行整體檢測和檢查，鈦合金10型和13型過渡車鉤各零部件均無明顯變形和損傷。試驗結果表明，輕量化的鈦合金過渡車鉤重量輕、強度高及操作效率高，并滿足當前過渡車鉤運行的安全需要，同時還有進一步輕量化的可行性。

圖4 鈦合金10型車鉤

圖5 鈦合金13型車鉤

圖6 鈦合金10型車鉤拉伸、壓縮試驗

在鈦合金地鐵過渡車鉤的凸錐生產中，沈陽中鈦裝備制造有限公司采用鈦板模鍛和筋板焊接成型工藝。相比原鋼制凸錐的鑄造工藝，該方法成型性好、效率高，凸錐性能好，經試驗驗證能夠滿足使用需求。鈦合金模鍛凸錐如圖7所示。

圖7 模鍛+部分焊接的鈦合金凸錐

2.4 牽引拉桿

中心牽引裝置主要由中心牽引銷、牽引拉桿總成（包括拉桿及其兩端的橡膠球關節節點）和連接螺栓等組成。其主要功能是實現車體與轉向架連接，并實現牽引力和制動力的傳遞。牽引拉桿結構簡單，成型工藝相對簡單，采用鈦合金材料進行替代不僅實現減重效果，同時采用模鍛成型方案還可以提高材料利用率，總體成本不會有較大提升。

中車四方股份與中鈦裝備聯合開發的鈦合金牽引拉桿，在采用模鍛成型后進行局部機加工，材料利用率可達50%以上，總體重量減重42%左右，減重效果非常明顯，如圖8、圖9所示。

圖8 牽引拉桿鍛造模具模型

圖9 牽引拉桿模鍛后出模狀態

采用鈦合金材質生產的牽引拉桿，尺寸和力學性能均符合使用要求。為保證動車組安全運行，后續鈦合金牽引拉桿還需依據轉向架用牽引拉桿技術條件，通過試驗來驗證其在相應載荷作用下的靜強度和疲勞強度。由于鈦合金的彈性模量約為鋼材的一半，還需要驗證鈦合金牽引拉桿的剛度對轉向架及車輛振動模態和牽引制動時對車輛動力學性能的影響。

2.5 輪對提吊

輪對提吊是轉向架輪對定位裝置的重要組成部分，與轉向架側梁通過螺栓連接，與軸箱體通過限位方式配合連接，是控制構架與輪對相對位置的重要零部件。某型號動車組上輪對提吊原采用3塊S355鋼板焊接而成，根據鋼的力學性能匹配鈦合金的牌號TA18，表1為輪對提吊原鋼材和鈦合金性能參數對比。

表1 TA18與鋼材力學性能對比

為提高生產效率和使用壽命，避免鈦合金焊接工序復雜控制項點和潛在焊接風險，結構整體對稱，中鈦裝備采用模鍛一體成型制作鈦合金輪對提吊，有效降低了工藝及質量控制成本。整體成型的設計更提升了產品的性能及壽命，同時材料的利用率也非常高。模鍛產品如圖10、圖11所示。

圖10 鈦合金模鍛件示意圖（一模兩件）

圖11 輪對提吊模鍛脫模實物

通過對鈦合金輪對提吊的研制，發現輪對提吊采用鈦合金替換后，性能滿足使用要求，整體重量從4.2 kg降低至2.4 kg，減重約43%。

3 鈦合金材料在軌道交通領域應用中需解決的問題

軌道交通行業對鈦合金材料的應用尚處于摸索階段。航空、船舶等領域在材料、結構設計、制造工藝、體系搭建、服役性能和維護技術等都有系列的研究及鈦合金工業化應用經驗，雖然可為軌道交通提供借鑒，但仍需結合軌道交通應用的特殊環境、使用需求開展材料性能、焊縫性能、評價準則及應用等系列性研究。

為順利推動鈦合金在軌道交通領域的應用，需盡快啟動建立適合軌道交通行業用鈦合金材料體系和性能數據庫工作，根據軌道交通車輛關鍵件性能需求，總結如下。

1）由于鈦及鈦合金具有良好的綜合力學性能，其在軌道交通領域具有廣闊的應用前景，但鈦合金成本限制了其批量化應用。可通過采用廉價合金元素，降低原材料成本；改進熔煉、加工等生產工藝，提高材料利用率，降低制造成本。

2）結合軌道交通零部件的結構及特殊使用工況，如高溫、高濕及嚴寒等線路，針對承載交變載荷的部件，開展鈦合金材料的選擇及適用性研究，建立軌道交通鈦合金材料的選用原則及性能評價指標，完善供貨技術條件項點，確保服役工況下的可靠性與穩定性。

3）典型大氣環境下，開展鈦合金和鋁合金、耐候鋼及不銹鋼等異質連接結構的腐蝕行為研究及腐蝕防護技術開發。對表面處理、絕緣措施進行優化，制定面向軌道交通車輛的防腐評價方法。

4）開展軌道交通典型與關鍵焊縫的疲勞強度評估方法研究，制定適合軌道交通的焊接規范及檢驗標準。

5）逐步建立鈦合金零部件失效預防和維保體系。對鈦合金軌道交通產品的服役環境和全壽命周期，進行全面適用性評價。

4 結束語

1）在軌道交通車輛輕量化目標指導下，使用輕量化材料是軌道交通車輛輕量化關鍵技術之一。鈦合金因具有密度小、比強度高、可焊性好、耐蝕性好及抗疲勞性好的特點，非常適用于軌道交通車輛進行結構輕量化設計。

2）目前鈦合金在軌道交通車輛上的應用還處于等結構替代階段，下一步需要充分利用鈦合金材料自身特性，結合軌道交通產品的載荷需求，對亟需輕量化的產品展開優化設計，進一步提升輕量化空間。同時考慮鈦合金加工工藝和組織結構等多種因素，進行鈦合金的合理選材與設計。

3）隨著鈦合金在軌道交通裝備上的應用拓展，要逐步建立鈦合金在軌道交通輕量化應用的相關知識體系，形成適用于軌道交通車輛及裝備的鈦合金材料選材、設計、仿真、成型工藝、試驗驗證和檢測維修的標準規范。同時，要加快在鈦合金原材料、成型工藝等方面的低成本研究，為鈦合金在軌道交通裝備上的推廣和批量應用積累經驗。