文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
轨道交通车辆（RailwayCar,RVs）是一种运行在铁路线路上的交通工具，是指以铁路或城市轨道交通线路为运行平台的列车，由动力系统、制动系统、牵引系统和其他辅助系统组成，满足运输生产需要并对环境造成影响的一种具有特定功能的工程技术产品。
轨道交通车辆以电力为能源，主要包括机车、客车、货车和轨道车等。目前，我国已拥有世界上规模最大的铁路网，是世界上唯一一个拥有地铁、轻轨、高速铁路和客运专线四大现代交通运输方式的国家。
在轨道交通车辆中，目前最主要的结构材料是铝合金和钢。其中，铝合金由于其轻质、高强度和良好的耐腐蚀性等优点而被广泛应用于列车结构材料；钢由于其强度高、耐腐蚀性好等优点而被广泛应用于车体结构材料。
随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通发展迅速，对于车辆结构材料也提出了更高要求。
因此，在城市轨道交通车辆中使用的铝合金和钢等材料需进行一定程度上的轻量化设计。近年来，由于钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温和低温等性能，钛合金在轨道交通车辆上得到了广泛应用。
随着我国高速铁路技术和装备水平的快速发展，列车运行速度越来越快，对列车车体结构强度提出了更高要求。
以CRHA型高速动车组为例，其车体由铝合金制成的部件重量约为kg，而同等条件下由钢制造的部件重量约为kg；在车辆运行过程中，由于高速列车车体承受着巨大的压力和冲击载荷，导致车体结构强度快速下降。
同时由于列车高速运行时产生较大振动和冲击载荷，使得车体结构局部承受过高应力而导致疲劳破坏。
因此需要提高列车车体结构强度和材料抗疲劳性能。在保证车体结构强度的前提下尽可能降低铝合金材料质量（如将铝合金部件重量降至最低）成为轨道交通车辆中铝合金车体结构优化设计的关键。目前我国在铝合金车体结构优化设计方面主要有以下几种方法：
提高铝合金材料强度：通过添加合金元素（如加Si、Mg等）等手段改善铝合金材料强度，进而提高轨道交通车辆中铝合金车身结构强度；
减小车身厚度：通过改变车身材质和结构设计来减小车辆自重，优化车体形状：通过降低车身高度来实现；其他优化措施：通过调整轨道车辆车钩位置、增加车钩数量等措施降低车钩高度。
目前国内应用较多的铝合金车体结构形式有整体式车体和模块式车体两种。其中整体式车体结构由底架、侧墙和顶盖组成，其特点是底板、侧板、顶板、端梁和司机室等部分采用铆接或焊接结构连接。
模块式车体由车体总成、侧墙总成和顶板总成3部分组成。其中，侧墙总成由侧梁和侧围组成；顶板总成由顶梁和顶盖组成；司机室是整个车辆最重要的部件之一，其内部主要包含司机室地板、司机室天花板以及司机室装饰件等。
模块式车体结构将车体分为两部分：上横梁和下纵梁。上纵梁是将整体式车顶与侧墙连接在一起的主要连接部件；下横梁是将上纵梁与顶板连接在一起的主要连接部件。
钛合金特点
钛及钛合金具有较好的耐腐蚀性，是一种典型的耐腐蚀金属。在大气和海洋中，钛合金可耐酸、碱和盐雾等腐蚀介质的作用，其耐蚀性能仅次于铝和不锈钢。
但在水中，钛会与氯、氧、硫和氮等氧化物发生反应而引起腐蚀，钛在海水中的耐蚀性能比不锈钢要差，而且在海水中有可能形成氢脆。
钛及钛合金具有很高的弹性模量、良好的可塑性及可加工性，这是因为其具有比强度高、密度小、抗疲劳性能好、线膨胀系数小、耐高温和低温等优异的综合性能。
钛合金在室温下具有良好的塑性和韧性，在热加工时，温度不超过℃时，钛合金仍能保持较高的塑性，甚至在高温下也能保持较好的塑性。
因此钛合金可广泛用于航空航天领域。钛合金还具有很高的强度，其强度是钢的1.5~2.5倍，强度高出钢约50%；而当合金中加入适量稀土元素后，其强度可提高一倍以上；当钛合金中加入适量镁元素后，其强度还可提高2~4倍。
钛及钛合金比热大（约为钢的10倍），这是由于钛合金比热大引起密度小造成的。当钛合金加热到一定温度时会吸收大量热量，在高温下会发生相变反应而使其体积膨胀。这一体积膨胀将导致其比热明显增大。
密度约为钢的1/3、铝和不锈钢的1/2~1/4;而弹性模量约为钢的1.5倍和不锈钢的2~3倍、钛合金为钢和铝的2~3倍；同时其硬度也较低（约为钢和铝或不锈钢坚硬）。因此其非常适合用于制造飞机发动机叶片、火箭推进器壳体等。
钛及钛合金具有优异隔热性能，导热系数只有铜和铝等材料中金属导热系数1/3~1/4。同时其还具有优良散热性能，具有良好透气性和导热性，能将热量迅速散发到周围环境中去。
在正常情况下钛合金只吸收约20%热量，而在高温下能吸收约40%热量。所以在高温条件下钛合金能长期承受较高温度而不被氧化；即使在℃以上仍能保持良好性质。因此钛及钛合金常用于制造高温、耐蚀或耐高温结构件。
由于其具有良好耐蚀性能和力学性能，在许多场合能代替钢和铝作为材料使用。但若能结合其他金属材料及合适的热处理工艺，其抗蚀性能还可进一步提高。
在常温下其塑性变形能力较低；但在低温下其变形能力与铝合金相近，且加工硬化率也较低，因此钛及钛合金适于制造结构件及机器零件等。
在常温下具有良好焊接性；在高温下可进行焊接；可焊成各种形状复杂、尺寸精度要求较高的零件和连接件；可以用火焰或电弧焊方法进行熔接。
可用氩弧焊、电阻焊和电钎焊方法进行焊接。同时钛及钛合金可与多种金属材料进行熔焊和钎焊，因此可获得较大厚度、形状复杂或尺寸精度要求较高、但强度又较低时所需构件，弹性模量是衡量金属材料抵抗变形能力大小和性能优劣程度的重要指标。
钛合金在轨道交通车辆中的研究现状
钛合金的应用最早始于20世纪40年代，由于其具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点，钛合金在轨道交通车辆上的应用主要集中在牵引和制动系统。
20世纪60年代，法国科学家将钛合金用于轨道交通车辆牵引系统中，主要应用在低摩擦系数的CRH2型动车组、低摩擦系数的TGV型动车组以及低摩擦系数的TGV型地铁车辆。
法国工程师研制的CRH2型列车牵引系统，其牵引系统采用钛合金制造，这是世界上第一次应用钛合金。
20世纪70年代，德国和意大利的铁路部门将钛合金用于轨道交通车辆制动系统中，主要应用在列车制动装置中，主要包括主制动器、制动盘和闸片。
在列车制动过程中，钛合金能够吸收大量热能，从而有效降低轮轨之间的摩擦系数；同时，钛合金在制动过程中不会产生火花，避免了由摩擦产生的火灾隐患。
20世纪80年代后，世界各国逐渐认识到了钛合金在轨道交通车辆上应用的优点和价值，陆续开始将其应用于轨道交通车辆上。
法国、德国、意大利、日本等国积极研究钛合金在轨道交通车辆上的应用技术和发展前景。法国于20世纪80年代末开始进行钛合金在轨道交通车辆上的应用研究。
日本于20世纪80年代中期开始进行钛合金在轨道交通车辆上的应用技术研究，日本东京大学、北海道大学、早稻田大学等与铁道车辆制造企业联合开展了钛合金在轨道交通车辆上应用技术研究。
20世纪90年代中期以来，世界各国对钛合金在轨道交通车辆上的应用技术研究有了更大的进展。美国、英国、澳大利亚、加拿大等国利用钛合金制造了高速列车用制动盘以及闸片等。
日本东京大学在高速列车制动盘材料和制造工艺方面开展了大量研究工作。德国于20世纪90年代初期开始对高速列车用制动盘进行钛合金化处理。
笔者观点
随着钛合金在轨道交通车辆中的应用日益广泛，钛合金在轨道交通车辆中的地位和作用越来越重要，其在轨道交通车辆中的应用前景非常广阔，但由于钛合金材料自身的特点，目前还存在以下问题：
国内对钛合金的基础研究还不够深入，材料的基础数据和检测方法不够完善，这些都制约了钛合金在轨道交通车辆中应用。
对钛合金焊接接头质量控制与评价体系还不完善，国内外还没有统一标准，焊接工艺参数和检测方法也缺乏统一标准和规范。
对钛合金的疲劳性能和耐蚀性能研究不够深入，材料在疲劳和腐蚀过程中的微观组织变化及机理还不是很清楚。
在轨道交通车辆上应用钛合金技术尚未成熟，尚有一些问题没有解决，材料和部件设计缺乏可靠性；加工制造技术水平有待提高；装备制造工艺水平有待提高；环境保护要求不能满足；产品使用寿命短。
目前国内已经有一些企业在开展钛合金材料的研究工作，并取得了一定的进展。如中国钢研科技集团股份有限公司、哈尔滨工业大学、山东中科科仪科技有限公司等都开发出了自己的钛合金焊接工艺技术。
但是目前国内钛合金在轨道交通车辆上的应用还处于起步阶段，要想在轨道交通车辆中大面积推广使用钛合金，还需要解决以下问题：
提高钛合金在轨道交通车辆上的应用效率和质量，主要是要解决钛合金在焊接工艺过程中容易出现的裂纹、气孔和夹渣等问题，制定统一、规范、科学的钛合金焊接工艺规范及检测方法，以指导和提高钛合金焊接质量。
根据轨道交通车辆结构特点和服役环境的要求，建立相应标准体系，以指导我国钛合金在轨道交通车辆中的应用，当然，我国在钛合金在轨道交通车辆上应用还面临着很多挑战。
参考文献
李峰《高铁高速动车组用高强耐热铝合金的研究与应用》北京交通大学学报，年。
苏永军《新型钛合金在轨道交通车辆中的应用研究进展》国家轨道交通装备质量监督检验中心有限公司，年。
刘立峰《基于计算机仿真技术的地铁列车轻量化设计方法与应用》工程材料学报，年。
刘世辉《高速列车用高强耐热钛合金的设计与制造技术研究进展》铁道科学与技术，年。
谢克强《高性能钛合金材料与制造技术研究进展与应用发展方向探讨》中国有色金属学报，年。
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