緊固件作為一種重要的通用基礎(chǔ)件，在工業(yè)中具有舉足輕重的作用，被稱為“工業(yè)之米”。我國著名的ARJ21-700飛機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝先生也盛贊緊固件“數(shù)以萬計(jì)，類以群分，連結(jié)構(gòu)，接系統(tǒng)，小物大為。
按種類可將緊固件（鈦合金螺絲）分為螺栓、螺釘、螺柱、螺母、木螺釘、自攻螺釘、墊圈、鉚釘、銷、擋圈、鏈接副和緊固件-組合件等13大類；根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，將緊固件分為一般用 途緊固件和航空航天緊固件。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)的連接方式仍以機(jī)械連接為主，飛機(jī)的連接裝配依靠大量的各類緊固件；在航天領(lǐng)域，飛行器部段之間的連接也要靠緊固件連接。隨著裝備輕量化發(fā)展，越來越多的航空 航天緊固件青睞于鈦合金材料。在國外，鈦合金緊固件的應(yīng)用歷史可追溯到20世紀(jì)50年代，美國率先將 Ti-6Al-4V合金螺栓應(yīng)用于 Ｂ-52轟炸機(jī)，取得了顯著的減重效果，鈦合金緊固件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用由此發(fā)端。目前，美國、法國等歐美發(fā)達(dá)國家，鈦合金緊固件95％以上都采用國際上公認(rèn)的 Ti-6Al-4V材料制造，一 些先進(jìn)機(jī)型用的鈦合金緊固件已經(jīng)完全替代了30CrＭｎSiＡ鋼。美國 C-5Ａ軍用運(yùn)輸機(jī)采用鈦合金緊固件后，質(zhì)量減輕4500kg左右；民用機(jī)波音747緊固件以鈦替代鋼后，質(zhì)量減輕1814kg。俄羅斯鈦合金緊固件和合金體系已經(jīng)應(yīng)用于伊爾-76、伊 爾-86、伊爾-96、圖-204、安-72和安-124等機(jī)型中，明顯減輕了飛機(jī)質(zhì)量。例如圖-204飛機(jī)上采用了940kg的ＢＴ16鈦合金緊固件，質(zhì)量減輕688kg；伊爾-76飛機(jī)用鈦合金緊固件14.2萬 件，質(zhì) 量 減 輕 600kg。我國鈦合金緊固件的研制歷史可以追溯到1965年，20世紀(jì)70年代相關(guān)單位進(jìn)行了鈦合金鉚釘及應(yīng)用研究工作；20世紀(jì)80年代，我國部分第二代軍用飛機(jī)上開始使用鉚釘和螺栓等少量鈦合金緊固件；20世紀(jì)90年代后期，隨著國外第三代重型戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)線的引進(jìn)和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)的研制，我國開始使用了一些鈦合金緊固件；近年來，隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，各單位相繼開展了緊固件用鈦合金材料的研制和緊固件制造工藝技術(shù)研發(fā)，鈦合金緊固件率先在航空航天領(lǐng)域中大量應(yīng)用，在民機(jī)上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示，每架國產(chǎn)C919飛機(jī)約需鈦合金緊固件20萬件，按計(jì)劃2018年年產(chǎn)150架大飛機(jī)計(jì)算的話，每年需要3000萬件鈦合金緊固件。
1、優(yōu)點(diǎn)
表1列出了緊固件用鈦合金與鋼鐵材料的性能比較。鈦合金材料在緊固件上應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)：1）密度小。鈦合金的密度顯著小于鋼鐵材料的密度，所以鈦合金緊固件比鋼制緊固件材料質(zhì)量輕。
2）比強(qiáng)度高。鈦合金是常見金屬材料中比強(qiáng)度較高的金屬材料。利用比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，也可以采用鈦合金替代質(zhì)量較輕的鋁合金材料，當(dāng)外加載荷相同情況下，鈦合金零部件的幾何尺寸更小，能有效地節(jié)省空間，這種材料利用理念對航空航天領(lǐng)域具有十分重要的意義。
3）熔點(diǎn)高。鈦合金的熔點(diǎn)顯著高于鋼鐵材料，所以鈦合金緊固件的耐熱性比鋼制緊固件耐熱性好。
表1緊固件用不同材料特性比較。
4）熱膨脹系數(shù)和彈性模量小。根據(jù)熱應(yīng)力計(jì)算公式：Δσ＝ＥαΔＴ （1）式中：Ｅ 為彈性模量；α 為熱膨脹系數(shù)；ΔＴ 為溫度變化。由式（1）可知，鈦合金材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量比鎳合金和鋼鐵材料小，在相同溫度變化區(qū)間內(nèi)，鈦合金產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小，所以鈦合金具有較高的熱疲勞性能。
5）無磁。鈦合金的磁導(dǎo)率十分小，幾乎可以忽略，所以鈦合金緊固件都是無磁的，能夠有效防止磁場的干擾。奧氏體不銹鋼也是無磁的，但后續(xù)冷加工會增加其磁性，而鈦合金的熱或冷加工均不改變其磁性，這使得鈦合金可以應(yīng)用在航電設(shè)備中。
6）屈強(qiáng)比高。承受拉伸載荷的緊固件設(shè)計(jì)臨界強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)就是屈服強(qiáng)度，其次才是抗拉強(qiáng)度，因?yàn)橐坏┚o固件產(chǎn)生屈服變形，就會失去緊固作用。與鋼鐵材料相比，鈦合金的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度接近，屈強(qiáng)比較高，所以鈦合金緊固件的安全性較高。
7）電極電位與碳纖維復(fù)合材料相匹配。在緊固件上，鈦合金用量十分巨大的重要原因就是鈦合金電極電位與碳纖維復(fù)合材料電極電位相匹配，有效阻止了電偶腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。
8）此外，鈦合金還具有優(yōu)異的耐蝕性、較高的蠕變抗力等優(yōu)點(diǎn)。
2、緊固件用鈦合金材料的概況
2.1緊固件用鈦合金材料及性能概況
緊固件用鈦合金材料與緊固件的制造工藝和用途密切相關(guān)。一方面，鈦合金緊固件的制造工藝主要包括3部分：首先，塑性變形，例如頂鐓、減徑和滾螺紋等；其次，表面強(qiáng)化，例如螺栓承力面與直桿過渡區(qū)的強(qiáng)化等；最后，機(jī)械加工，例如車、銑和磨等。另一方面，緊固件的用途不同，所需材料的性能要求也不同，這就需要使用不同的鈦合金材料。以鉚釘和螺栓為例，鉚釘在安裝過程中需要一端或者兩端鐓頭，所以鉚接過程對材料的塑性要求較高。螺栓一般要求具有較高的強(qiáng)度，其強(qiáng)度水平 與30CrＭｎSiＡ高強(qiáng)度合金鋼接近，所以通常采用高強(qiáng)鈦合金材料。綜合以上兩方面的因素，緊固件用鈦合金材料也主要分為工業(yè)純鈦、（α＋β）型和β型鈦合金三類，具體見表2。
由表2可知，工業(yè)純鈦主要是 ＴＡ1和 ＴＡ2。（α＋β）型鈦合金主要包括 TC4，TC6和 Ti-662等。β型鈦合金以亞穩(wěn)定β型鈦合金為主，這是因?yàn)閬喎€(wěn)定β型鈦合金鉬當(dāng)量一般在10％左右。鉬當(dāng)量小于10％的近β型鈦合金熱處理強(qiáng)化效果不足；鉬當(dāng)量大于10％的穩(wěn)定β型鈦合金在時(shí)效熱處理過程中，β相穩(wěn)定性會較高，難以分解，所以亞穩(wěn)定β型鈦合金材料的強(qiáng)化效果最明顯。此外，亞穩(wěn)定β型鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性，可以進(jìn)行冷鐓，避免采用專業(yè)的加熱設(shè)備和氣體保護(hù)介質(zhì)，生產(chǎn)效率和材料利用率高，成形后的緊固件尺寸精度高、表面質(zhì)量好。而（α＋β）型鈦合金緊固件只能采用熱鐓成形，需要專門的加熱設(shè)備和氣體介質(zhì)，生產(chǎn)效率和材料利用率低，也容易出現(xiàn)加熱溫度不均勻的現(xiàn)象。
表2 緊固件用鈦合金材料
表3 鉚釘用鈦合金材料的力學(xué)性能
表4 螺栓用鈦合金材料固溶時(shí)效的力學(xué)性能
2.2 幾種緊固件用重要鈦合金材料
2.2.1 TC4鈦合金
TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的兩相鈦合金，也是研究和應(yīng)用最多的鈦合金材料，緊固件用鈦合金材料大多數(shù)是TC4鈦合金。TC4鈦合金制造緊固件時(shí)，只能采用熱鐓，且必須采用專門的熱鐓設(shè)備和加熱設(shè)備，不但影響生產(chǎn)效率，且材料利用率較低。針對高強(qiáng)緊固件，TC4鈦合金緊固件強(qiáng)度不能滿足要求，合金固溶時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到1100Mpa，剪切強(qiáng)度在650Mpa左右，由于TC4鈦合金淬透性差，固溶時(shí)效時(shí)，TC4鈦合金螺絲截面尺寸一般在19mm以下。TC4鈦合金緊 固件包括螺栓、高鎖螺栓、抽釘、螺釘和環(huán)槽鉚釘?shù)龋渲蠺C4大多數(shù)螺栓已經(jīng)在國內(nèi)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備、航天飛行器和衛(wèi)星中獲得了大量應(yīng)用。
2.2.2 TC6鈦合金
TC6鈦合金是一種綜合性能優(yōu)異的馬氏體型（α＋β）型雙相鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，該合金一般在退火狀態(tài)下使用，也能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，還具有良好的抗氧化性能。
2.2.3 TC16鈦合金
TC16鈦合金是典型的固溶時(shí)效強(qiáng)化型兩相鈦合金，名義成分為 Ti-3Al-5Mo-4.5Ｖ。固溶處理后，該合金具有較高的室溫塑性，所以具有良好的冷鐓性能，鐓鍛比達(dá)到1∶4。在緊固件制造方面，TC16鈦合金既可以直接冷鐓成形，也可以采用熱鐓成形。目前，TC16 鈦合金緊固件有螺栓、螺釘和自鎖螺母等。
2.2.4 TB2鈦合金
TB2鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，合金名義成 分為 Ti-3Al-8Cr-5Mo-5Ｖ。在 固溶狀態(tài)下，TB2鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能。目前，主要用作制造衛(wèi)星波紋殼體、星箭連接帶及各類冷鐓鉚釘以及螺栓，尤其是 TB2鈦合金鉚釘已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)型號產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用。
2.2.5 TB3鈦合金
TB3鈦合金是一種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)定β型鈦合金，合金名義成分為 Ti-10Mo-8Ｖ-1Fe-3.5Al。該合金的主要優(yōu)點(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比可達(dá)2.8，合金固溶時(shí)效后可獲得較高的強(qiáng)度，主要用于制造1100Mpa級高強(qiáng)度航空航天緊固件。
2.2.6 TB5鈦合金
TB5鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，其名義成分為 Ti-15Ｖ-3Cr-3Sn-3Al。TB5鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性能，可以與純鈦的冷成形能力媲美。固溶后，可進(jìn)行多種緊固件的冷成形；時(shí)效后室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000Mpa。波音公司已經(jīng)將TB5鈦合金緊固件應(yīng)用在波音飛機(jī)上，我國也采用 TB5鈦合金制造與殲擊機(jī)傘梁和衛(wèi)星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘。
2.2.7 TB8鈦合金
TB8鈦合金是一種亞穩(wěn)定β21Ｓ鈦合金，其名義成分為 Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。這種鈦合金具有優(yōu)異的冷熱加工性能、淬透性好，同時(shí)具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗腐蝕性能。由于該合金采用了高熔點(diǎn)、自擴(kuò)散系數(shù)小的同晶型β穩(wěn)定元素 Mo和 Nb，所以TB8鈦合金具有較高的高溫抗氧化性能，其抗氧化性能比 Ti-15-3合金高100倍，具體數(shù)據(jù)見表5。目前，TB8鈦合金高強(qiáng)螺栓已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國航空領(lǐng)域重點(diǎn)型號產(chǎn)品上。
表5 TB8與 Ti-15-3鈦合金氧化數(shù)據(jù)比較
2.2.8 Ti-45Nb合金
Ti-45Nb 合金屬于一種穩(wěn)定 β 型鈦合金，是一種鉚釘專用鈦合金材料。最初，鉚 釘用鈦合金材料主要以純鈦為主，但是純鈦緊固件強(qiáng)度太低，在一些高承載部位，純鈦 緊固件無法滿足要求，所以急需一種塑性接近于純鈦，而強(qiáng)度高于純鈦的鈦合金材料，常用的亞穩(wěn)定β型鈦合金變形抗力大，室溫塑性與純鈦相差較大。后來，人們研制出了 Ti-45Nb合金，這種合金室溫塑性高，室溫伸長率可達(dá)20％，斷面收縮率高達(dá)60％，冷加工能力十分優(yōu)異。與純鈦相比，Ti-45Nb合金具有較高的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，分別達(dá)到450Mpa和350Mpa。
3、未來發(fā)展趨勢
3.1超高強(qiáng)度鈦合金
緊固件隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，新型飛機(jī)以及航天飛行器采用的連接技術(shù)水平不斷提 高，對新型緊固件也提出了新要求。未來研制的抗拉級別在1200～1500MPa、剪切強(qiáng)度≥750MPa的超高強(qiáng)鈦合金緊固件是未來發(fā)展的趨勢之一。
3.2 耐高溫鈦合金緊固件
目前，緊固件用鈦合金材料使用溫度不高，具體見表5。在航空航天領(lǐng)域，由于新型號飛機(jī)以及飛行器的飛行速度不斷提高，要求材料的服役溫度也隨之提高。因此，耐高溫鈦合金緊固件也是未來的發(fā)展趨勢，尤其是在航天領(lǐng)域，要求新型高溫鈦合金材料能夠在600～800℃短時(shí)服役。通常采用 Ti2AlNb合金替代較重的高溫合金，其 變形比較嚴(yán)重，而采用Ti2AlNb合金替代其他鈦合金材料還是較重，無法滿足減重要求；Ti-Al基金屬間化合物工藝塑性較差，成熟度較差。所以未來緊固件用高溫鈦合金材料仍然以近α型和高鋁當(dāng)量的兩相鈦合金為主。在高溫下，鈦合金的強(qiáng)度和抗蠕變性能的提高主要依賴于 Al，Sn，Zr的固溶強(qiáng)化作用，然而，受到鋁當(dāng)量限制的影響，這些元素的含量不能無限地提高，所以在適當(dāng)控制 Al，Sn，Zr含量的情況下，通過多元素復(fù)合合金化進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化來設(shè)計(jì)鈦合金。β穩(wěn)定化元素 Mo對高溫鈦合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度有固溶強(qiáng)化作用，Nb，Cr和 Ｖ也有類似的效果。少量β穩(wěn)定化元素的加入還可以防止合金脆化。此外，鈦合金中Si的含量對性能至關(guān)重 要，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2％左右的Si后，橢球形硅化物將非均勻、不連續(xù)地沉淀于α片邊界上，能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，使合金的抗蠕變性能大大提高。但是硅化物的出現(xiàn)同時(shí)對合金組織的熱穩(wěn)定性也產(chǎn)生了有害影響，不僅降低合金的塑性，而且會增強(qiáng)合金的有序化程度，促進(jìn) Ti3Al相的生成。因此，Si含量應(yīng)控制在較低水平，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5％。因此，多元素復(fù)合強(qiáng)化仍然是新型高溫鈦合金材料設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。
表6 常見緊固件用鈦合金的使用溫度
參考文獻(xiàn)：
［1］ 航天精工有限公司.緊固件 概 論［Ｍ］.北 京：國 防 工 業(yè)大學(xué)出版社，2014.
［2］ 張樹啟.緊固件用高強(qiáng)度 鈦 合 金 的 發(fā) 展［J］.鈦 工 業(yè) 進(jìn)展，1998（5）：1-3.
［3］ 周蕓，王超.鈦合金緊固 件 生 產(chǎn) 技 術(shù)［J］.鈦 工 業(yè) 進(jìn) 展，2001（1）：12-15.
［4］ 張利軍，王幸運(yùn)，郭 啟 義，等.鈦 合 金 材 料 在 我 國 航 空緊固件中 的 應(yīng) 用［J］.航 空 制 造 技 術(shù)，2013，436（16）：129-133.
［5］ ＢＥＥＮJ，ＦAlＬＥＲ Ｋ.ＵSiｎｇ Ti-5111ｆｏｒ ｍａｒｉｎｅｆａｓｔｅｎｅｒａｐｐｌｉCａTiｏｎｓ［J］.JＯＭ，1999，51（6）：21-24.
［6］ ＹＵＫＯ，CrＩＳＴＥＭ，ＰＥＳＡＲ，ｅｔAl.Siｎｇｌｅ-ｍｅｌTBｅｔａCｆｏｒｓｐｒｉｎｇａｎｄｆａｓｔｅｎｅｒａｐｐｌｉCａTiｏｎｓ［J］.JｏｕｒｎA(yù)lｏｆ ＭａｔｅｒｉAlｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＰｅｒｆｏｒｍａｎCｅ，2005，14（6）：697-702.
［7］ 趙慶云，徐鋒.航空緊固件用鈦合金的研究進(jìn)展［C］∥第十四屆全國鈦及鈦合金學(xué)術(shù)交流會論文集.上海：中國有色金屬學(xué)會，2010.
［8］ 顧中灼.β21Ｓ鈦合金緊固件工藝研究及性能測試［J］.航空與航天，1998（1）：19-20
相關(guān)鏈接
