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航空紧固件用钛合金材料发展现状

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摘要：钛合金材料密度低、比强度高、耐腐蚀、组织性能稳定性好，且具有优良的综合性能。钛合金所具有的这一系列突出优点，使其在飞机结构和航空发动机中获得了越来越广泛的应用。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平。我国钛资源丰富，储量居世界前列，目前已经成为世界上继美国、俄罗斯、日本之后，具有完整工业体系和生产能力的世界第4大钛工业国，加强我国钛合金材料的研究和应用推广对促进我国航空工业的快速发展具有重要意义。本文分析了钛合金紧固件材料的应用概况、材料特性和紧固件制造技术特点。

关键词：航空；紧固件；钛合金；高强度

1、航空紧固件钛合金材料的研究现状

Ti-64是近50年来航空紧固件使用最普遍的钛合金，但是Ti-64在紧固件使用上有2个方面的限制因素：（1）强度限制，抗拉强度最高1100MPa(160ksi)；（2）尺寸限制，最大使用尺寸约19mm(0.75in)。由于在静动态性能方面很难取得平衡，钛合金在主承力结构所要求的紧固件性能(见表1)上难以得到广泛应用。同时，减少合金钢和防锈钢的镉镀层的需求，结合Ti-64固有的淬透性的限制，引发了一些公司开发其他钛合金的兴趣。这样用于替代Ti-64的高强钛合金的开发工作就开展起来。

1.1Timetal555

在过去，美铝公司评估了许多新开发的用于高强紧固件的钛合金的能力。最后，美铝公司成功地开发了使用Timetal555材料的高强紧固件(Ti555是Timet开发的近β钛合金)，这种紧固件采用传统的紧固件生产工艺加工而成。详细的质量检测，包括非破坏性试验、力学性能试验、冶金性能试验，显示了新开发的Ti-555紧固件具有优良的性能，满足或超过典型的1250MPa镀镉合金钢紧固件规范的要求。其力学性能评估结果如表2所列。

1.2SPSTITANTM761

SPS航空紧固件集团自1903年以来一直是高强紧固件的主要制造商，其采用特殊加工工艺研制的SPSTITANTM761钛合金，克服了其他钛合金在制造紧固件的尺寸和强度方面的限制，所加工的Aerlite160钛合金螺栓尺寸从19.05mm到28.575mm，满足钛螺栓规范NAS621，NAS4004，AS7460和AS7461的要求，在整个尺寸范围内抗拉强度都可达1100MPa，剪切强度达到655MPa，并且具有良好的疲劳性能，这种尺寸Ti-64合金是不可能达到的。这为由于尺寸限制而不得不从钛合金转向较重的钢或防锈钢的设计者们提供了新的材料选择。采用SPSTITANTM761钛合金所加工的另一个紧固件产品Aerlite180，其抗拉强度可达1240MPa、剪切强度可达745MPa，直径达25.4mm，显示出许多合金钢和耐蚀合金紧固件的强度水平，同时，可节省40%的重量。表3所列为Aerlite紧固件的力学性能。

2、航空紧固件钛合金材料的应用现状

2.1Ti-6Al-4V

大多数钛合金紧固件由Ti-64(国内牌号TC4)制造。TC4不能通过冷镦成形，只能热镦成形，时效后的强度可达1100MPa以上，常用于制造螺栓、螺钉、环槽铆钉等，在400℃以下使用。目前TC4螺栓在国内飞机、发动机和机载设备上的应用越来越多，加工的紧固件主要有钛螺栓、钛高锁螺栓、大底脚单面螺纹抽钉等，头型有90?、100?、120?沉头、半圆头等。我市工业航空制造工程研究所已有近30年的钛紧固件研发制造历史，解决了诸多钛紧固件研制生产的关键工艺技术，已研制、开发了多种钛合金紧固件，并得以应用。

2.2BT16

另一个在航空紧固件上得到普遍应用的钛合金是俄罗斯的BT16合金(国内牌号TC16)，固溶状态下具有很好的塑性及极好的冷镦性能，镦锻比可达1:4，时效处理后的强度可达1030MPa以上。因此，TC16通常冷镦成形而不用热处理，采用冷变硬化方法加工紧固件，极大地提高了生产效率。TC16制造的螺栓、螺钉和自锁螺母也得到了应用，所加工螺栓头型有六角头、小六角头、90?沉头、120?半沉头、扁圆头等。

2.3TC6

近年来,为满足航空发动机高温使用要求，我市航空制造工程研究所研制出了可耐500℃以下高温的TC6(俄罗斯材料BT3-1)钛紧固件，与TC4钛紧固件比，这种材料对温度具有较高的敏感性，其制造更困难。

结语：通过航空紧固件钛合金的使用情况可以看出，航空紧固件材料应具备足够的强度与塑性、耐蚀性、抗疲劳等性能，随着先进飞机上的复合材料和钛合金的用量的增加，以及高强钛合金的研发成功，钛合金紧固件将得到更大的应用，在保证强度性能的同时，对飞机质量的减轻具有积极的意义。

Reference：

[1]董瑞峰,李金山,唐斌,etal.航空紧固件用钛合金材料发展现状[J].