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超轻钛合金材料在航空紧固件中的应用

来源：世展网分类：紧固件行业资讯 2022-09-23 15:50 阅读：*****

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钛合金熔炼技术复杂、加工难度大，目前，世界上仅美国、俄罗斯、日本、中国四个国家掌握完整的钛工业生产技术。钛工业产业链有两条不同的分支，即钛材工业和钛白粉工业。在钛材工业，从钛铁矿和金红石采选开始，制造海绵钛，然后制成各种金属产品，用于航空航天、化工、船舶等领域

航空钛合金主要应用于飞机结构件、航空发动机结构件以及航空紧固件等。飞机结构钛合金使用温度要求一般为 350℃以下，要求其具有高的比强度、良好的韧性、优异的抗疲劳性能、良好的焊接工艺性能等，主要应用部位有起落架部件、框、梁、机身蒙皮、隔热罩等。发动机用钛合金要求具有高的比强度、热稳定性好、抗氧化和抗蠕变性能良好，主要应用领域有压气机盘、叶片、鼓筒、高压压气机转子、压气机机匣等。航空紧固件用钛合金要求具有较好的加工性、无磁性、耐腐蚀性等，主要包括钛合金铆钉、钛合金螺栓等。

1.航空工业中钛合金铆钉类紧固件的应用

对航空工业中的铆钉来说，其材料的冷态塑性非常重要，是冷铆接安装的前提。钛合金铆钉通常被应用于耐腐要求高且强度要求不高的部位，β型具有非常良好的冷加工性能，是航空铆钉制造的上好材料，能够满足各方面的要求。

1.1 Ti-45Nb合金

TI-45Nb的伸长率可达到20%以上,具有较好的可塑性和冷加工性能，其剪切和抗拉的强度都要优于纯钛，而冷变形抗力又低于纯钛,是复合材料连接用铆钉的最佳材料选择。在美国的航空工业中，Ti-45Nb已经取代了纯钛来进行铆钉类紧固件的制造，得到了厂泛的应用。在剪切强度要求高的部位，-般采用Ti- -6AI-4V钉杆和TI-45Nb头部组成的双金属钛台金铆钉，TI-45Nb 的可塑性和Ti-6A1-4V的高强度形成了完美的组合，适用于各种飞机的钛台金构件以及复合材料构件的连接，不光减轻了重量，还降低了成本，近年来我国也对这种双金属铆钉开始大量使用。

1.2 TB2钛合金

TB2钛合金材料是我国航空工业对钛合金材料紧固件研究的起点。在上世纪60年代，成都飞机设计研究所提出了采用钛台金铆钉的设想，并于1970年开始对TB2钛合金铆钉进行研制，1979年终于完成了技术鉴定，并制定了暂行技术条件。TB2钛合金是一种亚稳定型β钛台金，在固溶处理状态下具有优异的冷成形性能和焊接性能，目前被用于航天工业的各种冷镦铆钉和一些小规格螺栓的制造。上世纪80-90年代，我国相继颁布了《钛合金铆钉》、《抗拉型钛合金环槽铆钉规范》以及《1000沉头抗拉型钛合金环槽铆钉》等3部针对TB2钛台金铆钉的技术标准，规定了相关使用技术规范。目前，TB2钛合金材料的铆钉因其优越的性能特点已经在我国的航空航天工业中被大量使用。

1.3 TB5钛合金

TB5钛合金属于亚稳定β型钛合金，名义成分为Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1,最早是由美国空军研究开发YMET公司进行生产的。TB5钛合金具有与纯钛相当的冷成形性能，能够在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形，并且具有优异的室温拉伸强度和抗腐蚀性，其缺点是抗氧化性能不足，只适用于低于200C的环境。在实际应用中，美国B1B轰炸机中TB5钛合金的铆钉类紧固件应用较多，其次在波音飞机上的应用也较为广泛，我国对于TB5钛合金材料也有一定的应用，如卫星发动机部件、歼击机平梁等。

2.航空工业中钛合金螺栓类紧固件的应用

钛合金材料的螺栓是航空航天工业中使用最多的，包括普通螺栓、高锁螺栓和干涉型螺栓等。用来制造航空螺栓的钛台金材料对热处理后抗拉以及剪切的强度要求较高。

2.1 TC4钛合金

TC4钛合金是美国于1954年研究并制造出来的，目前已经被国际上广泛使用，是使用率最大的钛合金，不光应用于航空航天制造，在工业中也被普遍使用。如飞机的起落架、枉架、梁、紧固件、发动机风扇、叶片等。TC4钛合金具有超高的工艺蛆性，可在400C的环境下长时间工作。我国在1973年就开始了对TC4的研究与应用，如飞机发动机叶片等。

采用 TC4钛台金制造的螺栓于1956年被美国首次应用于8-52轰炸机的制造中，其效果得到了认可，并被其他国家广泛使用，目前TC4钛合金螺栓几乎应用于发达国家所有的飞机制造中。但TC4也有一定的缺点，如无法冷镦成形，只能热处理,加工工艺要求较高，对于此，我国研究出了TC4钛合金固件热镦机床，并实现了工业化生产。目前TC4钛合金螺栓已经被我国广泛应用于航天飞机、客机、卫星等的制造中。

2.2 TC6钛合金

TC6钛合金是北京航空研究所研制出来的耐高温紧固件材料，其能够在500C的高温中进行工作，但其制造工艺要求有一-定的难度。TC6钛合金是对前苏联BT3-1钛合金的仿制，我国最早于1979年应用于航空发动机制造，然后对TC6钛合金螺栓开始了研制。TC6台金属于两相钛合金，综合性能较好，可在退火状态下使用，还能够进行- -些热处理强化，具有较高的抗氧化和抗腐蚀的性能，可在500"C以下的环境中进行长时间工作，温退火处理后的抗拉强度较高，达到980MPa以上，同时还具有优异的延伸率、断面收缩率等性能。

2.3 TB3钛合金

TB3是我国于.上世纪70年代研制成功的，当时在发达工业国家的1100MPa钛合金螺栓都是采用TC4钛合金材料制造，而我国当时的热镦技术并不成熟，无法采用TC4钛合金进行制造，所以就研制了可以直接冷镦的1100MPa级钛合金，也就是TB3钛合金，该钛合金属于亚稳定β型钛合金，可进行热处理强化，在固溶处理状态下具有较强的冷成形能力，“固溶+时效”处理后具有较高强度，可用于300C以下的1100MPa级高强度航空航天紧固件的制造中。我国于上世纪80年代开始研制并形成技术规范，然后开始投入制造高锁螺栓和干涉型螺栓，目前已经广泛应用于100MPa螺栓的制造中。

3.航空航天紧固件：钛合金是航空航天紧固件主要材料

紧固件是实现连接功能的基本零件，在航空领域广泛使用。紧固件包括螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、销、铆钉等，在飞机上用量极大，一架飞机所用的紧固件及弹性元件少则几十万件，多则几百万件。例如，俄罗斯伊尔-96 飞机单架飞机使用紧固件达 14.2 万件，单架空客A380 使用紧固件超过 100 万件。

高减重、耐腐蚀、无磁性、与复合材料相容性好的钛合金逐渐成为先进飞机紧固件材料的首要选择。随着飞机先进性的提高，对紧固件材料的要求越来越高。钛合金用作航空紧固件有多种优势：1）减重效果好；2）耐腐蚀性能好，尤其是钛与碳纤维复合材料的电极电位相近，适合复合材料连接；3）耐高温低温性能好；4）钛具有良好弹性和无磁，对于防止紧固螺栓的松动和防磁场干扰至关重要。

美国 F-16、F-18、F-35、F-22、C-17 等军机广泛采用钛合金紧固件。F-15 战斗机用钛合金紧固件占全机紧固件的 73%，C-17 大型军用运输机使用了 42.3 万个钛合金销钉和 24.1 万个钛合金螺栓；图-204 型客机采用 940kg 的 BT16 钛合金紧固件后，飞机减重达 688kg，波音747 型飞机采用钛合金紧固件代替合金钢紧固件后，其单机总重量减轻了 1814kg。

随着紧固件用钛合金材料的不断研制和性能提升，钛合金紧固件在航空领域用量有望进一步增长。钛合金紧固件的使用最早是美国将Ti-64（TC4）螺栓用于 B-52 轰炸机，随后，Ti-64 钛合金逐渐成为美国和欧洲各国在航空航天领域应用的主要紧固件材料。采用 TC4、BT16、TB2、TB3、TB5 等材料制备的钛合金紧固件旨在取代铝合金和合金钢材料，强度水平在 1000MPa 级以上；TB8 合金制造的紧固件已逐渐取代高强钢和 TC4 紧固件，强度水平在 1250MPa 以上。

3.结束语

随着航空航天事业的不断发展，钛合金紧固件在航空航天制造中已经被广泛应用，美国、俄罗斯等航空工业发达的国家都已经形成了钛合金紧固件材料制造体系。我国对于钛合金紧固件在航空制造中的应用研究较晚，大部分都是对前苏联技术的改进或仿制，应用程度也相对较低，因此，必须要加快我国航空紧固件钛合金材料的应用研究，为我国航空事业的发展做出贡献。

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