軌道交（jiāo）通車輛應用（yòng）越來越廣，對其要求也越來越高，例如高速運行（háng）、沿海地區運用（yòng）時的防腐（fǔ）蝕以及為了（le）進一步提高性價比而降低簧下重量等，傳統金屬材料已（yǐ）難以滿足這些（xiē）特殊的使用要求，急（jí）需新材料來取代。鈦合金材料的許多優越性能很（hěn）適合用於（yú）軌道交通車輛，但由於價格（gé）的原因，一直未進行這方麵的嚐試。隨著電解法製備海綿鈦即將實現工業化，海綿鈦（tài）成本越來越低，加之我國鈦資（zī）源豐富，因此（cǐ），鈦合金材料（liào）應用在軌道交通車輛的前景可期。
目前我國（guó）高速動車（chē）組***高運行速度為350km/h（預留380km/h）。速（sù）度越高，輪軌間的動作用力就越大，輪軌磨（mó）耗（hào）也就越嚴重，舒適性也越差。在速度不變的條件下，降低輪軌間的動作用力行之有效的辦法就是降低車輛的（de）軸重，這其中尤以（yǐ）降低簧下（xià）重量效果***為顯著，見經驗公式（shì）（1）。
垂向動態附加載荷(1)
式中：一運（yùn）行速度，km/h；a一線路缺陷，mm；一線路剛（gāng）度，n/m；m一簧下部分重量（liàng），t。
軌道車輛（liàng）的簧（huáng）下重量對車輛的動力學性能有著重要的影響，簧下部分主要包括部分電機（軸懸式機車）、輪對、齒輪箱和軸箱等。
目（mù）前在國內運用比較多（duō）的CRH3、CRH380B及CRH380BL軸重也都是17toUIC（國際鐵路（lù）聯盟（méng））規定，車輛（liàng）運行（háng）速度不小於250km/h時（shí），軸重不大於17t。既要考慮強度和剛度要求（qiú），還要考慮低溫韌性，同時在低溫運行（háng）條件（jiàn）下（xià）還要考慮乘客的（de）防寒、防（fáng）凍，也就是車輛的保溫（wēn）性能要好，這些都是車輛軸重的（de）約（yuē）束條（tiáo）件，很多零部件都經（jīng）過優（yōu）化設計才使軸重達到這個設計要求，進一步輕量化（huà）難（nán）度非常大，且潛力有限，因此，急（jí）需高強度、密度小的新材料來取代傳統材料。
鈦（tài）合金密度4.5g/cm3，為鋼密度的（de）57％，強度與鋼相當，替換鋼材減重43％，是比（bǐ）強度***高的金屬材料，等（děng）強度替換鋁合金減重20％~30％；同時鈦合（hé）金材料本身具有較好的阻尼，在傳力、衰減振動和（hé）衰減衝（chōng）擊方麵應該有所作為田隨（suí）著高速動車組在我國海南島內開行（háng），腐蝕（shí）問題開始暴露，如受電弓及其上的彈簧等。這些零（líng）部件都直接暴露在含（hán）鹽量高、濕度大的空氣中，且受電弓受流電壓為25kV，電流通過時（shí），溫度很高，也加（jiā）劇了其腐蝕速度。目（mù）前（qián）這些零部件（jiàn）都是由鋼（gāng）材製成，成型後塗（tú）防鏽漆，不（bú）能從根本上（shàng）解決問題（tí）。
因此，從鈦合金材料的性能出發，分（fèn）4方麵對其在軌道交通車輛上的應（yīng）用進（jìn）行可行（háng）性分析（xī）和展（zhǎn）望。
鈦合金在軌（guǐ）道交通車（chē）輛中的應用展（zhǎn）望
鈦合（hé）金彈（dàn）簧
與鋼彈簧比，鈦合金彈簧具有6個優勢：(1)重量輕；(2)強度高；(3)阻尼性好；(4)工作溫度範圍廣：一50℃~300℃；(5)工作應力低；(6)耐腐蝕。
更（gèng）重要的是（shì）鈦合金材料的斷裂（liè）韌性也比較合適，當以減小彈簧體積作為（wéi）設計依據時，σ/G值（式中：σ一彈簧（huáng）工作應力，Pa；G一材料（liào）剪切模量，Pa）可以作為選（xuǎn）用材料的判據（jù）。鈦合金材料的剪切模量比鋼材小，因此，所需彎成的圈數比鋼質（zhì）彈簧少，這也進一步降低了鈦合（hé）金彈簧重量（liàng）。
鈦合金材料耐蝕性好、維護成本低，會延長使用壽命。海水中電位0.09v，其在大氣、雨水（shuǐ）、海洋中腐蝕速（sù）率（lǜ）為0，見表1。軌道（dào）交通車輛中轉向架及受電弓上的零部（bù）件（jiàn）絕大多數都直接暴露在外，除了塗一層防鏽漆外沒有任何其他庇護，鈦合金（jīn）材料的耐蝕（shí）性也比較適合用在軌道交通車輛上，尤其適合運用於沿海一帶的軌道交通車輛上。
運用現代企業管理方式（shì）及多年（nián）積累的企業文化，先後（hòu）與國內外30餘家（jiā）知名企業建立了配（pèi）套關（guān）係，如中壓（yā）電器生產線焊接組裝用翻轉工裝， 諾基亞手機生產線配套工裝夾具，鋼鐵研究總院光譜分析儀鑄鋁外殼、衝擊試（shì）驗機，北京不鏽鋼異型件加工（gōng），北京不鏽鋼零件加工，空氣濾芯衝壓模（mó）具。
在軌道交通車輛中，比較重要的彈簧基本都采用51crV4或製成，如高速（sù）動車組及機車（chē）上二係彈簧等（děng），其性能見表2。
圖1是用TB6鈦合金試製成的用於CRH3高速動車組的一係簧（包括內簧和外（wài）簧），經理（lǐ）論（lùn）計算和檢測各項指標均符合動（dòng）車組的使用要求。以外簧為（wéi）例（lì），重量由（yóu）原來鋼彈簧（huáng）的32.26kg降低為鈦合金彈簧的18.29kg，減（jiǎn）輕了（le）43.3％。目前，鈦合金彈簧正在進行200萬次的疲勞（láo）試驗。因（yīn）為是取代原合金鋼彈簧，不僅各向剛度（包括垂向和橫向（xiàng））要與原彈簧一（yī）致，而且還要與原（yuán）彈簧安裝結構完全一樣（yàng），應力也要小於原鋼彈簧，以確（què）保使用壽命不低於原（yuán）鋼彈簧，其設計難度顯然大於彈簧的新設計。
圖（tú）一：TB6鈦合金彈（dàn）簧 圖二（èr）：ZTC4鈦合金葉輪
從文獻檢索（suǒ）可知，鈦合金彈簧尚未用於軌道交通車輛，但2001年就在汽車領域得到了成功應用。
從鈦（tài）合金彈簧試（shì）製情況看，與傳統鋼彈簧的（de）加工工（gōng）藝及流程基本相同，因此，可有效利用（yòng）原有加工（gōng）設備，但（dàn）也有（yǒu）差別，如熱卷溫度及如何控製鈦合金彈（dàn）簧的回彈量等。現在***缺的是（shì）鈦合（hé）金彈（dàn）簧材料的有關（guān）疲勞（láo）壽（shòu）命（mìng）數據，目前正著手這方麵的試（shì）驗研究。
軌道交通車（chē）輛一般按30年壽命設計，因此，像一係彈簧這些重要零部件也是按30年的設計壽命計算的，這與汽車的（de）要求不同。
鈦合金葉輪
在-253℃~550℃溫（wēn）度範圍，鈦合（hé）金具（jù）有較高的強韌性，比較適合製造內燃機車柴油機的增（zēng）壓器葉輪和汽輪機葉輪，見表3。
圖（tú）2為（wéi）ZTC4材料用真空離心澆鑄技術鑄造的葉輪。原葉輪材料（liào）為2618，材料性能滿足表（biǎo）4要求（試驗溫度23℃±5℃）。由表4可知（zhī），鈦合金ZTC4鑄造性能無論是強度、硬度（dù）還是伸長率都完全滿足葉輪的性能要求。鈦合金葉（yè）輪試製後，下一步將開展測試，尤其要進行模擬運行工況下的疲勞試驗，以檢驗鈦（tài）合金（jīn）的鑄造工藝和材料（liào）的疲（pí）勞性能。
鈦合金軸箱
在軌道交通車輛行業（yè），把套在軸（zhóu）頸上連接輪對和轉（zhuǎn）向架構架或二軸車車體的部件簡稱為軸箱。其作用是把（bǎ）車體及構架重量和載荷傳遞給輪對，潤滑軸頸，減少摩擦（cā），降低運行阻力。軸箱與車軸（zhóu）直接通過軸承相連，輪軌動（dòng）作用力由鋼軌直接傳遞給車輪、車軸後，又未經任何衰減傳遞給軸（zhóu）箱，因此，軸箱重量屬典型的簧下重量（liàng），其輕（qīng）量化（huà）尤其具有重要意義。
現階段我（wǒ）國軌道交通車輛軸箱普遍采用鑄鐵或鑄鋼，如機車軸箱采用c級（jí）鑄鋼，抗拉強度（dù）不小於620MPa，屈服強度不小於（yú）4巧MPa，伸長率不小於22％。鈦合金（jīn）與其他材料的比（bǐ）阻尼及屈服強度見表5。顯（xiǎn）而易見，鈦合金材料（liào）性能優勢突出，完全可滿足使用要求，但價格偏高（gāo），因此，要（yào）著重考慮（lǜ）性價比。
按照等強度和等剛度設計原則，采用TH一Ti321鈦（tài）合金材料鑄造的（de）軸箱如圖3所示，其性能滿足TB/T2942一1999中（zhōng）C級鑄鋼的技術（shù）要求，重量約為原鑄鋼軸箱的53％，有效地降低了機車（chē）的簧下重量。由於鈦合金材料鑄造性能的（de）特點（diǎn），鈦合（hé）金軸箱運用真空離心澆鑄技術製（zhì）作完成，這（zhè）與普通的鑄鐵、鑄鋼的鑄造技術大不相同，目前（qián）正在進行疲勞試驗。預計裝車後會明顯改善機車的動力學性能，提升鐵（tiě）路機車（chē）運行的安全性和舒適性（xìng）。
鈦合金車鉤、緩衝（chōng）器和（hé）牽引杆（gǎn）
目前我國貨車占車輛的絕大多數，其車鉤主要類型為（wéi）13號車鉤係列，約占95％以上，材料均為（wéi）ZG25MnCrNiMoo由於車型不同，車鉤承受的拉壓力也不同，因此，各型號車鉤采用了不同的熱處（chù）理方式（shì）。13C型車鉤采用正（zhèng）火+回火工藝，13E和13A型車鉤均采用調質處理工藝。用於重載牽引（yǐn）的巧號轉動車鉤和17號（hào）固定車鉤的材質（zhì）同樣是ZG25MnCrNiMo，但采用淬火+回火的熱處理工藝。其材質性能為（wéi）：Rm＞827Mpa、Rp＞689MPa、伸長率δ≥14％、斷麵收（shōu）縮（suō）率Ψ≥30％、Akv≥（一40℃）27J。
緩衝器能耗（hào）件材料（liào）分為摩擦、彈（dàn）簧、橡膠及液壓4種，如果緩衝器本身（shēn）采用鈦（tài）合金材料，不僅能承受各種縱向（即車鉤方向）載荷（hé），且能（néng）利用鈦合金材料的阻尼特性（見表5）耗（hào）散一部分縱向動載荷，這對減小列車的縱向衝擊是非常有利的。機車牽（qiān）引杆有的采（cǎi）用25CrM04無縫鋼管，屈服極限400MPa、材料彈性模量210GPa、材料泊鬆（sōng）比0.3、材料密度7850kg/m3。
由此可見采用鈦合金材料完全可滿足車鉤、緩衝器（qì）及（jí）牽引杆的使用要求，但成型（xíng）卻是（shì）問題，因為這些鑄件的零件尺寸都比較大，要投入新的設備。現在的車鉤、緩衝器都是鑄造成型（xíng），牽引杆有鑄造也有鍛造（zào）的還有利用無縫鋼管製造的。因此，現階段僅僅是展望，還未（wèi）開始試製。隨著技術（shù）的發展，成型應該不會（huì）成為限製鈦（tài）合金製成這些零件的（de）因（yīn）素。
結論
（1）軌道交通車輛發展到新階段受到各種條件的限製，采用新（xīn）材（cái）料是必然的、也是迫切的，否（fǒu）則很難滿足使用要求，且這個市（shì）場潛力巨大。
（2）鈦合金材料的很多優越性能都是軌道交（jiāo）通（tōng）車輛所（suǒ）需的（de），本文4個方（fāng）麵的展望還隻是（shì）探索，還有很多應用等待開發，其可靠性更需得到（dào）驗證。
（3）從調研情況看，軌道交通（tōng）車（chē）輛（liàng）市場沒有壁壘，目前的限製條件就是價格，即鈦合金零部（bù）件性（xìng）價比是否合適。可（kě）分2步走：******行（háng）鈦合金材料的性能試（shì）驗及相關零部件試驗，為批量應用摸索和積累經驗，到技術（shù）相對成熟，成本降（jiàng）低（dī）後再批量應用，而（ér）不是等成本降低後再投人研究。
（作者：黃誌輝（huī）1 王超２ 孫龍生２ 周傑（jié）２
１西南交通（tōng）大學牽引動力******重點實驗室；２沈陽泰（tài）恒通用（yòng）技術（shù）有限公司）
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