鈦合金在軌道交通車(chē)輛中的應(yīng)用現(xiàn)狀

莢利宏，王 婷，于承雪，張心周，魏家麒，楊 欣

（1.國(guó)家高速列車(chē)青島技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266111；2.中鈦國(guó)創(chuàng)（青島）科技有限公司，山東 青島 266111；3.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111）

軌道交通是一種安全、舒適、環(huán)保及節(jié)能的綠色交通，是我國(guó)公共交通的重要組成部分。軌道交通建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大、運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)增多，能耗大幅增長(zhǎng)，牽引能耗在軌道交通中占總電耗的30%左右，若車(chē)輛重量減輕10%，能耗可降低6%～8%[1]。

隨著國(guó)內(nèi)大力推進(jìn)軌道交通建設(shè)，“十四五”期間軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)同樣處于快速增長(zhǎng)的發(fā)展機(jī)遇期。軌道交通裝備在新材料、新技術(shù)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(fā)展需求更加迫切。鈦合金因具有密度小、比強(qiáng)度高、可焊性好及耐腐蝕性好等特點(diǎn)，已受到軌道交通行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注，并逐步開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)品的鈦合金化可行性研究和上車(chē)應(yīng)用。

2022年4月21日，我國(guó)自主研發(fā)的新型復(fù)興號(hào)高速綜合檢測(cè)列車(chē)成功實(shí)現(xiàn)相對(duì)交會(huì)時(shí)速870 km，創(chuàng)造了高鐵動(dòng)車(chē)組列車(chē)明線交會(huì)速度世界紀(jì)錄，標(biāo)志著國(guó)家“十四五”規(guī)劃的“CR450科技創(chuàng)新工程”已經(jīng)全面展開(kāi)。從CR400到CR450，速度提高50 km/h，這對(duì)材料的安全性、強(qiáng)度和輕量化也提出了更高的要求。

1 鈦合金特點(diǎn)

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在航空航天、艦船武器、化學(xué)工業(yè)和海洋建筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)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(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。

1）密度小，比強(qiáng)度高（強(qiáng)度和密度比值）。鈦合金的密度為4.5 g/cm3左右，比強(qiáng)度位于金屬之首。比強(qiáng)度越高說(shuō)明滿(mǎn)足相應(yīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，需要的材料質(zhì)量越輕，能夠使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊，大幅減小結(jié)構(gòu)重量，進(jìn)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(qiáng)度可達(dá)到基體強(qiáng)度的90%以上，如有焊接缺陷，可進(jìn)行二次焊接修復(fù)。

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(qiáng)。在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼。因此，采用鈦合金可無(wú)須涂層保護(hù)。

4）抗疲勞性能優(yōu)異。美國(guó)戰(zhàn)略偵察機(jī)SR-7l采用鈦合金結(jié)構(gòu)的機(jī)體，飛行高度達(dá)到30000 m，最大速度達(dá)到3.5倍音速，1966年開(kāi)始服役，到1998年永久退役，在服役32年內(nèi)機(jī)體未出現(xiàn)損壞。

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

隨著軌道車(chē)輛輕量化的要求越來(lái)越高，碳纖維復(fù)合材料在軌道交通裝備上的應(yīng)用逐漸增多，如車(chē)體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、司機(jī)室和設(shè)備艙等均有使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行試制[5]。預(yù)埋件常用的材料有鋁合金、鈦合金和鐵鎳合金。綜合考慮預(yù)埋金屬結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、輕量化、熱穩(wěn)定性及與碳纖維電位差導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，應(yīng)優(yōu)先選用鈦合金作為預(yù)埋件。

2 鈦合金在軌道交通車(chē)輛中的研究現(xiàn)狀

2.1 鈦合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

轉(zhuǎn)向架是軌道車(chē)輛最重要的組成部件之一，實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛走行功能，其直接關(guān)系到車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)、動(dòng)力性能和行車(chē)安全。構(gòu)架是轉(zhuǎn)向架各個(gè)零部件組裝的載體，一般包括側(cè)梁、橫梁，以及相關(guān)設(shè)備安裝需要的懸掛吊座等。采用鈦合金構(gòu)架，能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度、輕量化的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，減輕簧下質(zhì)量和簧間質(zhì)量，進(jìn)而改善輪軌間的作用力，提高轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)運(yùn)用的安全性和運(yùn)行可靠性。

才鶴等[6]在某鈦合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接中，采用鈦合金TA2和TA18，在滿(mǎn)足現(xiàn)有構(gòu)架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其總質(zhì)量降低40%左右，如圖1、圖2所示。在鈦合金構(gòu)架研制過(guò)程中，解決了鈦合金側(cè)梁組成焊接過(guò)程中變形量大、部分焊接接頭無(wú)法進(jìn)行有效惰性氣體保護(hù)的技術(shù)工藝問(wèn)題，焊后通過(guò)真空熱處理消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，鈦合金構(gòu)架滿(mǎn)足現(xiàn)有設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為后續(xù)鈦合金構(gòu)架的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)積累了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 鈦合金構(gòu)架側(cè)梁組成結(jié)構(gòu)

圖2 鈦合金轉(zhuǎn)向架構(gòu)架

2.2 鈦合金制動(dòng)夾鉗

制動(dòng)夾鉗作為制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能和功能直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和品質(zhì)。應(yīng)用鈦合金制動(dòng)夾鉗，可減輕簧下、簧間質(zhì)量，提升運(yùn)行品質(zhì)，提高耐銹蝕能力；低溫環(huán)境下，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能更加穩(wěn)定。

呂斐等[7]研制的鈦合金三點(diǎn)式制動(dòng)夾鉗如圖3所示。吊掛、閘片托、吊座、缸蓋、活塞管、缸蓋導(dǎo)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(duì)鈦合金制動(dòng)夾鉗單元分別進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、低壓和高壓常溫密封性試驗(yàn)、常溫靈敏度試驗(yàn)、一次間隙調(diào)整量試驗(yàn)、最大間隙調(diào)整量試驗(yàn)和緩解間隙試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦合金制動(dòng)夾鉗單元均滿(mǎn)足功能指標(biāo)要求，同時(shí)，通過(guò)了100萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)和沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。在-50℃的低溫環(huán)境下，保持48 h后，鈦合金制動(dòng)夾鉗單元各項(xiàng)功能正常，說(shuō)明鈦合金制動(dòng)夾鉗的抗低溫性能較強(qiáng)，適合在高寒環(huán)境下應(yīng)用。

圖3 鈦合金三點(diǎn)式制動(dòng)夾鉗單元

2.3 鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤

過(guò)渡車(chē)鉤是一種用于連接2種不同型號(hào)的車(chē)鉤，保證調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)安全平穩(wěn)地調(diào)運(yùn)待檢修車(chē)輛，同時(shí)過(guò)渡車(chē)鉤在使用時(shí)需要人工頻繁裝卸[8-9]。根據(jù)UIC660規(guī)定，過(guò)渡車(chē)鉤單體重量不能超過(guò)50 kg，然而現(xiàn)有過(guò)渡車(chē)鉤結(jié)構(gòu)笨重，在裝卸時(shí)需要多人同時(shí)搬運(yùn)，若搬運(yùn)中發(fā)生脫落事故，還會(huì)對(duì)維修人員造成人身傷害，因此在保證過(guò)渡車(chē)鉤使用安全性的前提下，對(duì)過(guò)渡車(chē)鉤進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是十分必要的。

薛白鴿[10]設(shè)計(jì)了一種輕量化鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤，基于變密度法利用ANSYSWorkbench中的Shape Optimization模塊對(duì)過(guò)渡車(chē)鉤進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤進(jìn)行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到的輕量化鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤重42.15 kg，相較于原始E級(jí)鋼過(guò)渡車(chē)鉤減重58.15 kg，減重比高達(dá)57.98%。

中車(chē)某公司開(kāi)發(fā)了一款鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤，如圖4、圖5所示。單個(gè)模塊鉤體重量在20 kg左右，單人便可完成整個(gè)操作過(guò)程。在750 kN拉伸載荷試驗(yàn)和850 kN壓縮載荷試驗(yàn)時(shí)，車(chē)鉤鉤體未發(fā)生斷裂，如圖6所示。卸載后對(duì)車(chē)鉤鉤體進(jìn)行整體檢測(cè)和檢查，鈦合金10型和13型過(guò)渡車(chē)鉤各零部件均無(wú)明顯變形和損傷。試驗(yàn)結(jié)果表明，輕量化的鈦合金過(guò)渡車(chē)鉤重量輕、強(qiáng)度高及操作效率高，并滿(mǎn)足當(dāng)前過(guò)渡車(chē)鉤運(yùn)行的安全需要，同時(shí)還有進(jìn)一步輕量化的可行性。

圖4 鈦合金10型車(chē)鉤

圖5 鈦合金13型車(chē)鉤

圖6 鈦合金10型車(chē)鉤拉伸、壓縮試驗(yàn)

在鈦合金地鐵過(guò)渡車(chē)鉤的凸錐生產(chǎn)中，沈陽(yáng)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(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠滿(mǎn)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(xiāo)、牽引拉桿總成（包括拉桿及其兩端的橡膠球關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)）和連接螺栓等組成。其主要功能是實(shí)現(xiàn)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架連接，并實(shí)現(xiàn)牽引力和制動(dòng)力的傳遞。牽引拉桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，采用鈦合金材料進(jìn)行替代不僅實(shí)現(xiàn)減重效果，同時(shí)采用模鍛成型方案還可以提高材料利用率，總體成本不會(huì)有較大提升。

中車(chē)四方股份與中鈦裝備聯(lián)合開(kāi)發(fā)的鈦合金牽引拉桿，在采用模鍛成型后進(jìn)行局部機(jī)加工，材料利用率可達(dá)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(tài)

采用鈦合金材質(zhì)生產(chǎn)的牽引拉桿，尺寸和力學(xué)性能均符合使用要求。為保證動(dòng)車(chē)組安全運(yùn)行，后續(xù)鈦合金牽引拉桿還需依據(jù)轉(zhuǎn)向架用牽引拉桿技術(shù)條件，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其在相應(yīng)載荷作用下的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。由于鈦合金的彈性模量約為鋼材的一半，還需要驗(yàn)證鈦合金牽引拉桿的剛度對(duì)轉(zhuǎn)向架及車(chē)輛振動(dòng)模態(tài)和牽引制動(dòng)時(shí)對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響。

2.5 輪對(duì)提吊

輪對(duì)提吊是轉(zhuǎn)向架輪對(duì)定位裝置的重要組成部分，與轉(zhuǎn)向架側(cè)梁通過(guò)螺栓連接，與軸箱體通過(guò)限位方式配合連接，是控制構(gòu)架與輪對(duì)相對(duì)位置的重要零部件。某型號(hào)動(dòng)車(chē)組上輪對(duì)提吊原采用3塊S355鋼板焊接而成，根據(jù)鋼的力學(xué)性能匹配鈦合金的牌號(hào)TA18，表1為輪對(duì)提吊原鋼材和鈦合金性能參數(shù)對(duì)比。

表1 TA18與鋼材力學(xué)性能對(duì)比

為提高生產(chǎn)效率和使用壽命，避免鈦合金焊接工序復(fù)雜控制項(xiàng)點(diǎn)和潛在焊接風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)整體對(duì)稱(chēng)，中鈦裝備采用模鍛一體成型制作鈦合金輪對(duì)提吊，有效降低了工藝及質(zhì)量控制成本。整體成型的設(shè)計(jì)更提升了產(chǎn)品的性能及壽命，同時(shí)材料的利用率也非常高。模鍛產(chǎn)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(duì)提吊模鍛脫模實(shí)物

通過(guò)對(duì)鈦合金輪對(duì)提吊的研制，發(fā)現(xiàn)輪對(duì)提吊采用鈦合金替換后，性能滿(mǎn)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(lǐng)域應(yīng)用中需解決的問(wèn)題

軌道交通行業(yè)對(duì)鈦合金材料的應(yīng)用尚處于摸索階段。航空、船舶等領(lǐng)域在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、體系搭建、服役性能和維護(hù)技術(shù)等都有系列的研究及鈦合金工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，雖然可為軌道交通提供借鑒，但仍需結(jié)合軌道交通應(yīng)用的特殊環(huán)境、使用需求開(kāi)展材料性能、焊縫性能、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及應(yīng)用等系列性研究。

為順利推動(dòng)鈦合金在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，需盡快啟動(dòng)建立適合軌道交通行業(yè)用鈦合金材料體系和性能數(shù)據(jù)庫(kù)工作，根據(jù)軌道交通車(chē)輛關(guān)鍵件性能需求，總結(jié)如下。

1）由于鈦及鈦合金具有良好的綜合力學(xué)性能，其在軌道交通領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但鈦合金成本限制了其批量化應(yīng)用?？赏ㄟ^(guò)采用廉價(jià)合金元素，降低原材料成本；改進(jìn)熔煉、加工等生產(chǎn)工藝，提高材料利用率，降低制造成本。

2）結(jié)合軌道交通零部件的結(jié)構(gòu)及特殊使用工況，如高溫、高濕及嚴(yán)寒等線路，針對(duì)承載交變載荷的部件，開(kāi)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(píng)價(jià)指標(biāo)，完善供貨技術(shù)條件項(xiàng)點(diǎn)，確保服役工況下的可靠性與穩(wěn)定性。

3）典型大氣環(huán)境下，開(kāi)展鈦合金和鋁合金、耐候鋼及不銹鋼等異質(zhì)連接結(jié)構(gòu)的腐蝕行為研究及腐蝕防護(hù)技術(shù)開(kāi)發(fā)。對(duì)表面處理、絕緣措施進(jìn)行優(yōu)化，制定面向軌道交通車(chē)輛的防腐評(píng)價(jià)方法。

4）開(kāi)展軌道交通典型與關(guān)鍵焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法研究，制定適合軌道交通的焊接規(guī)范及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

5）逐步建立鈦合金零部件失效預(yù)防和維保體系。對(duì)鈦合金軌道交通產(chǎn)品的服役環(huán)境和全壽命周期，進(jìn)行全面適用性評(píng)價(jià)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在軌道交通車(chē)輛輕量化目標(biāo)指導(dǎo)下，使用輕量化材料是軌道交通車(chē)輛輕量化關(guān)鍵技術(shù)之一。鈦合金因具有密度小、比強(qiáng)度高、可焊性好、耐蝕性好及抗疲勞性好的特點(diǎn)，非常適用于軌道交通車(chē)輛進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。

2）目前鈦合金在軌道交通車(chē)輛上的應(yīng)用還處于等結(jié)構(gòu)替代階段，下一步需要充分利用鈦合金材料自身特性，結(jié)合軌道交通產(chǎn)品的載荷需求，對(duì)亟需輕量化的產(chǎn)品展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升輕量化空間。同時(shí)考慮鈦合金加工工藝和組織結(jié)構(gòu)等多種因素，進(jìn)行鈦合金的合理選材與設(shè)計(jì)。

3）隨著鈦合金在軌道交通裝備上的應(yīng)用拓展，要逐步建立鈦合金在軌道交通輕量化應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)體系，形成適用于軌道交通車(chē)輛及裝備的鈦合金材料選材、設(shè)計(jì)、仿真、成型工藝、試驗(yàn)驗(yàn)證和檢測(cè)維修的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。同時(shí)，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(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。