民用飛機機體結(jié)構(gòu)通常采用鈦合金以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重、改善疲勞壽命、提高耐腐蝕性,當代先進的民用飛機普遍提高了鈦合金的用量。從鈦合金的特點及其應(yīng)用優(yōu)勢出發(fā),介紹了鈦合金在先進民用飛機機體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用現(xiàn)狀并分析原因,總結(jié)并提出了鈦合金在民用飛機機體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的機遇和挑戰(zhàn),為我國民用飛機的研發(fā)和發(fā)展提供參考和借鑒。
0、引言
鈦合金以其高比強度、耐高溫、耐腐蝕等特點,在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著先進復(fù)合材料在民用飛機上用量的逐漸增加,鈦合金與復(fù)合材料相容性好的特點使其具有了更大的優(yōu)勢,其在民用飛機機體結(jié)構(gòu)的用量也在不斷提高。以B787和A350為代表的最新一代民用飛機,鈦合金用量分別達到15%和14%,充分體現(xiàn)了鈦合金在現(xiàn)代民用飛機設(shè)計領(lǐng)域的重要性和不可替代性。
我國民用飛機設(shè)計起點較低、發(fā)展較慢,鈦合金在機體上的應(yīng)用還有待進一步提高。為提升我國民用飛機上鈦合金的使用量,發(fā)揮鈦合金的優(yōu)勢,進而提高飛機性能,實現(xiàn)減重和優(yōu)化,本文對鈦合金的性能特點、應(yīng)用優(yōu)勢及其在現(xiàn)代先進民用飛機上的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析和研究,總結(jié)鈦合金應(yīng)用的機遇和面臨的挑戰(zhàn),為我國民用飛機的研制和發(fā)展提供參考和借鑒,具有較高的實際指導(dǎo)意義。
1、鈦合金的主要性能特點
鈦合金是一種重量輕、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)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度性能;具有很高的疲勞強度和斷裂韌性;很好的高溫性能;熱性能好,熱膨脹系數(shù)比鋼低,比鋁合金的50%還低,熱傳導(dǎo)率低;無磁性。高溫時,與其他材料具有很好的化學相容性;優(yōu)越的耐腐蝕和抗氧化能力,能夠降低飛機的運營和維護成本。
制約鈦合金應(yīng)用的主要問題是其密度比鋁合金大、成本也相對較高(大約是鋁或鋼的7倍)。
2、鈦合金的應(yīng)用優(yōu)勢
民用飛機上大量應(yīng)用鈦合金的一個重要推動力是結(jié)構(gòu)減重,減重效果直接決定飛機綜合成本的高低。鈦合金比同等強度的鋼的密度低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。例如,在某些情況,用鈦合金Ti-6Al-4V代替鋼用于發(fā)動機風扇、壓氣機盤及葉片等可減重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(lián)接技術(shù)(SPF/DB)的鈦合金結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛,例如A300、A310/320的前緣縫翼收放機構(gòu)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(gòu)等減重達到46%,經(jīng)濟效益顯著。
民用飛機機體結(jié)構(gòu)使用鈦合金的另一優(yōu)勢是突破體積限制。當結(jié)構(gòu)載荷比較高、采用鋁合金又受到結(jié)構(gòu)空間限制時,強度較高的鈦合金成為較理想的材料。波音飛機上采用非常大的鈦合金鍛件以降低結(jié)構(gòu)體積,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后梁之間的部件,雖然鋁合金成本低,可以作為備選材料,但是由于操穩(wěn)載荷高,鋁合金需要做得非常大而難以包在機翼內(nèi),故選用鈦合金則更為適合。
較高的工作溫度也是鈦合金的一大優(yōu)勢。傳統(tǒng)鋁合金僅能適用于130~150℃,在高溫區(qū)域,采用鈦合金更適宜,可以提高結(jié)構(gòu)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(fā)動機支持結(jié)構(gòu),如B787吊掛結(jié)構(gòu)和輔助動力裝置(APU)區(qū)域等,將溫度作為設(shè)計的主要考慮因素。
鈦合金具有優(yōu)良的耐腐蝕性,使其在腐蝕嚴重區(qū)域得以大量應(yīng)用。實際上鈦合金在民用飛機運營環(huán)境中,幾乎不會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。在易腐蝕區(qū)域,如位于廚房和盥洗室下的地板支持結(jié)構(gòu),鈦合金可取代鋁合金用于連接座椅和地板。
隨著碳纖維復(fù)合材料(CFRP)的廣泛使用,鈦合金與碳纖維復(fù)合材料相容性好的特點成為其大量使用的重要原因。鋁合金和CFRP之間存在有較大的電位差,將導(dǎo)致嚴重的電化學腐蝕,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,但表面涂層的任何破損都將導(dǎo)致鋁合金的快速腐蝕。對于關(guān)鍵結(jié)構(gòu),很難檢查或替換,為避免電化學腐蝕的出現(xiàn),應(yīng)優(yōu)先選用鈦合金。鈦合金的這一特性,也使其在鋁合金與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)之間的界面中,得到大量應(yīng)用。與鋁合金相比,鈦合金能夠提高結(jié)構(gòu)壽命60%。而且其熱膨脹系數(shù)低,當與CFRP結(jié)構(gòu)連接在一起時,能夠降低高熱載。
3、鈦合金在典型民用飛機機體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
3.1鈦合金在波音系列飛機上的應(yīng)用
鈦合金在波音系列飛機上的應(yīng)用,是隨著鋁合金和鋼用量的減少而逐步增加的,B777飛機鈦合金的用量為7%,由于復(fù)合材料的全面使用,鈦合金在B787飛機上的用量達到了創(chuàng)紀錄的15%,這標志著鈦合金在現(xiàn)代復(fù)合材料民用飛機中的重要作用逐漸顯現(xiàn)出來。波音系列飛機材料比例如圖1所示,鈦合金的應(yīng)用比例隨著每一個重要商業(yè)飛機的產(chǎn)生而增加。
圖1波音系列飛機材料比例
3.1.1鈦合金在B777上的應(yīng)用
在B777上,鈦合金主要應(yīng)用于早期CFRP結(jié)構(gòu),來避免采用鋁合金造成的電化腐蝕,大幅度提高了飛機的損傷容限。將Ti-10V-2Fe-3Al鈦合金應(yīng)用于B777的主起落架轉(zhuǎn)向架梁上,單個鈦合金鍛件重量當時達到了最大。這一設(shè)計減重幅度非常大,與高強度鋼的起落架部件相連接,沒有產(chǎn)生典型的腐蝕和表面損壞。另一個主要進步是,B777選擇了β-21S鈦合金用于發(fā)動機塞、整流罩和噴嘴等熱結(jié)構(gòu),其高抗氧化性大幅度降低了排氣部件的重量。
3.1.2鈦合金在B787上的應(yīng)用
鈦合金在B787上的使用比例為破紀錄的15%。一方面是傳統(tǒng)部位的采用,如吊掛、起落架結(jié)構(gòu)等;另一方面,由于B787飛機復(fù)合材料用量的大幅增加以及鈦合金與復(fù)材相容性好的特點,鈦合金在某些部位也取代了鋁合金。
吊掛是飛機的關(guān)鍵部件,B787在其吊掛結(jié)構(gòu)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(yōu)于傳統(tǒng)的Ti-6Al-4V,主要應(yīng)用于比較重要的上連桿和吊掛接頭結(jié)構(gòu),側(cè)連桿則采用了普通的Ti-6Al-4V,既滿足傳力要求,又能滿足運營溫度要求。鈦合金在B787吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用如圖2所示。
圖2鈦合金在B787吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
B787機身為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu),包括機身蒙皮、長桁、普通框和剪切角片等。而在載荷復(fù)雜的中機身,所有側(cè)邊框包括前后壓力隔框都普遍采用鈦合金結(jié)構(gòu)以承受高載,B787中機身框結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 B787中機身框結(jié)構(gòu)
B787大開口加強結(jié)構(gòu)中的加強框,采用了Ti-6Al-4V桿狀鍛件機加結(jié)構(gòu)。相比于復(fù)合材料框,鈦合金具有良好的抗沖擊性,可以避免旅客、貨物對門框意外撞擊造成損傷。相比于鋁合金,鈦合金不僅與復(fù)合材料機身壁板具有很好的相容性,結(jié)構(gòu)效率也要高出很多,能夠更好的對大開口進行加強,并在一定程度上降低結(jié)構(gòu)高度,節(jié)省內(nèi)部空間。為避免腐蝕,B787座椅滑軌也采用了鈦合金擠壓型材。
B787的其他關(guān)鍵部位,尤其是與復(fù)合材料外翼前后梁連接的各類接頭,普遍采用了鈦合金。包括與發(fā)動機吊掛連接的接頭、與主起落架連接接頭,襟翼滑軌接頭、機翼梁接頭等,部分接頭零件的選材情況如圖4所示。
圖4與B787機翼連接的部分鈦合金接頭
3.2鈦合金在空客飛機上的應(yīng)用
鈦合金在空客系列飛機上的使用量一直比較穩(wěn)定,低于鋼的用量。隨著復(fù)合材料用量的逐漸增加,鋼的用量逐漸減少,在A350飛機上復(fù)合材料用量達到了52%,鈦合金也超過了鋼的用量,達到了14%,如圖5所示。
圖5 空客系列飛機結(jié)構(gòu)材料的比例
3.2.1鈦合金在A380飛機上的應(yīng)用
A380是目前世界上最大的民用飛機,以鋁合金為主要材料。A380的選材和設(shè)計代表著先進民用飛機選材和設(shè)計的趨勢。相較于以往機型,A380鈦合金的使用比例沒有明顯增加,但由于機身整體重量大,鈦合金的總用量是相當大的。在機身的關(guān)鍵部位,都采用了鈦合金,尤其是重要的連接位置。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,每件重量達3 120kg。
圖6 鈦合金在A380飛機上的主要分布
空中客車公司第一次采用全鈦設(shè)計了A380吊掛的主要結(jié)構(gòu)。主要采用最常用的鈦合金Ti-6Al-4V,如圖7所示,其在β退火狀態(tài)下具有最大的斷裂韌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善。
圖7鈦合金在A380吊掛結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
此外,在A380上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制造商共同研發(fā)的,能夠為設(shè)計者提供良好的斷裂韌性和較高強度的綜合性能匹配。該合金目前用于A380飛機機翼和掛架之間的連接件,進一步的應(yīng)用還在研究之中。
3.2.2鈦合金在A350XWB飛機上的應(yīng)用
A350XWB是目前世界上除B787以外應(yīng)用復(fù)合材料最多的機型。由于鈦合金與復(fù)合材料良好的相容性,鈦合金的用量往往隨著復(fù)合材料用量的增加而增加。2005年,A350計劃采用40%的復(fù)合材料和9%的鈦合金;2007年,迫于B787的壓力,A350XWB將復(fù)合材料用量增加到了52%,相應(yīng)地,鈦合金的用量也增加到了14%,如圖8所示,兩種材料的百分比基本與B787持平。
圖8 A350(XWB)鈦合金用量隨復(fù)合材料用量的變化
與A380相似,A350XWB飛機將鈦合金應(yīng)用于吊掛主結(jié)構(gòu),并增加了起落架結(jié)構(gòu)鈦合金的用量,在活塞、轉(zhuǎn)向架、扭力臂和側(cè)撐桿等部位也都采用了鈦合金(如圖9所示)。事實證明鈦合金具有很好的耐高溫、耐腐蝕性能,采用鈦合金實現(xiàn)了減重,提供了較高的可靠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
由于大范圍使用復(fù)合材料,而鈦合金與復(fù)合材料的相容性比鋁合金好,在A350XWB飛機上,鈦合金在很多結(jié)構(gòu)上代替了傳統(tǒng)鋁合金,典型的如門加強框??湛驼J為,選擇鈦合金的主要原因是門框上存在大量的連接件,如門擋塊,這些連接件在安裝后可能仍需調(diào)整才能達到正確的位置,裝配中易產(chǎn)生劃痕和錯誤的鉆孔,鈦合金對于這些損傷的敏感度比復(fù)合材料低得多。同樣,采用鈦合金材料,裝配后的門框組件也比較容易修理?;谝资軗p的原因,門上部楣梁及其延伸段和下部檻梁也選擇了鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料,如圖10所示。A350還將鈦合金用于機翼結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、尾錐和APU艙防火墻等。
圖10 A350登機門口框結(jié)構(gòu)
3.3鈦合金在龐巴迪C系列(CS100和CS300型)飛機上的應(yīng)用
作為即將服役的新機,C系列飛機鈦合金的用量達到了8%的較高比例,C系列飛機材料使用情況如圖11所示。
圖11 C系列飛機材料使用情況
C系列也在機身關(guān)鍵位置采用了鈦合金,如發(fā)動機吊掛、平尾懸掛接頭等,中機身后梁框采用了鈦合金Ti-6AlV4V。鈦合金后梁框與復(fù)合材料中央翼盒相容性好,更重要的是將鋁鋰合金后梁框更改為鈦合金后梁框后,不僅提高了材料的耐腐蝕性和疲勞性能,根據(jù)計算還能夠減重約20kg,這是一個非??捎^的數(shù)據(jù)。在鋁鋰合金中后機身和復(fù)合材料后機身的界面中,采用了鈦合金連接角材與后部復(fù)合材料壓力隔框進行連接,以避免電化腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,并提高疲勞壽命。
根據(jù)高溫區(qū)需要,C系列APU防火墻采用純鈦薄板,尾錐對接框采用Ti-6Al-4V厚板機加結(jié)構(gòu);航燈整流罩、進氣道穩(wěn)壓室、APU消音器等也采用了鈦合金;考慮強度、剛度和耐沖擊性,一些重要的接頭和艙門擋塊等普遍選擇了鈦合金材料。鈦合金在C系列飛機尾錐上的應(yīng)用如圖12所示。
圖12鈦合金在C系列尾錐上的應(yīng)用
3.4鈦合金緊固件在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代飛機復(fù)合材料用量的急劇增加,鈦合金緊固件數(shù)量隨之大量增加。緊固件材料的選用受到飛機性能、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu),其緊固件材料的選擇主要從電位和比強度進行考慮。從電位來講,復(fù)合材料緊固件是最適合的,但其難以滿足高強度、抗疲勞等性能要求,一般只能用于特殊部位;其次是不銹鋼,但其比強度較低,也不適合大量采用。兼顧高比強度和低電位差,鈦合金成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用緊固件的最佳材料,無論是鉚釘,還是螺栓、單面緊固件等,都大量采用鈦合金材料。通常,對于復(fù)合材料的機械連接(包括螺接和鉚接),螺接類緊固件材料常選用Ti-6Al-4V;鉚接類緊固件材料常選用純鈦和鈦鈮合金(55Ti-45Cb),原因是其能防止電偶腐蝕和具有高的比強度,鉚接性能(延展性)也較好。
4結(jié)束語
隨著復(fù)合材料逐漸成為民用飛機機體的主要材料,鈦合金在民用飛機上應(yīng)用的百分比也逐漸增加,鈦合金材料應(yīng)用面臨著前所未有的機遇。除了傳統(tǒng)部位,如吊掛、起落架等結(jié)構(gòu)外,也逐漸應(yīng)用于大開口加強結(jié)構(gòu)、座椅滑軌、APU防火墻等部位,尤其是機身、機翼上重要的接頭零件和界面零件,鈦合金的使用范圍在不斷地擴大。
由于鈦合金的固有屬性,導(dǎo)致其成本高、加工和成型相對困難,使其在大量應(yīng)用方面面臨著較大的挑戰(zhàn)。研發(fā)和利用綜合高性能的鈦合金材料,提高鈦合金加工與制造工藝,是現(xiàn)代民用飛機的發(fā)展趨勢。
作者:張寶柱,孫潔瓊中航沈飛民用飛機有限責任公司工程研發(fā)中心
來源:《航空工程進展》雜志