航空航天緊固件用鈦合金材料綜述

李蒙 鳳偉中 關蕾 王新 張永強 王儉

摘要：

介紹了緊固件用鈦合金材料的應用現(xiàn)狀、牌號、特點及性能，并指出其未來的發(fā)展趨勢。對發(fā)展鈦合金緊固件以及相應的新型鈦合金材料研制具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：

緊固件; 鈦合金; 研究進展

中圖分類號： TG 146.2+3 文獻標志碼： A

Summary of Titanium Alloy for Fastener in Aerospace

LI Meng FENG Weizhong GUAN Lei WANG Xin ZHANG Yongqiang WANG Jian

（1.Baoti Group Ltd.， Baoji 721014， China;

2.Baoji Titanium Industry Co.， Ltd.， Baoji 721014， China）

Abstract：

The application status，grade，characteristics and performance of titanium alloys for fastener are introduced.The future development trend is also pointed out.It is of great significance to the development of titanium alloy fasteners and the design of novel titanium alloys.

Keywords：

fastener; titanium alloy; research progress

緊固件作為一種重要的通用基礎件，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飛機總設計師吳光輝先生也盛贊緊固件“數(shù)以萬計，類以群分，連結構，接系統(tǒng)，小物大為[1]。

按種類可將緊固件分為螺栓、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)應用領域，將緊固件分為一般用途緊固件和航空航天緊固件。在航空領域，飛機的連接方式仍以機械連接為主，飛機的連接裝配依靠大量的各類緊固件;在航天領域，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，鈦合金緊固件的應用歷史可追溯到20世紀50年代，美國率先將Ti-6Al-4V合金螺栓應用于B-52轟炸機，取得了顯著的減重效果，鈦合金緊固件在航空航天領域的應用由此發(fā)端。目前，美國、法國等歐美發(fā)達國家，鈦合金緊固件95%以上都采用國際上公認的Ti-6Al-4V材料制造，一些先進機型用的鈦合金緊固件已經(jīng)完全替代了30CrMnSiA鋼。美國C-5A軍用運輸機采用鈦合金緊固件后，質(zhì)量減輕4 500 kg左右;民用機波音747緊固件以鈦替代鋼后，質(zhì)量減輕1 814 kg[2]。俄羅斯鈦合金緊固件和合金體系已經(jīng)應用于伊爾-76、伊爾-86、伊爾-96、圖-204、安-72和安-124等機型中，明顯減輕了飛機質(zhì)量。例如圖-204飛機上采用了940 kg的BT16鈦合金緊固件，質(zhì)量減輕688 kg;伊爾-76飛機用鈦合金緊固件14.2萬件，質(zhì)量減輕600 kg[2-3]。我國鈦合金緊固件的研制歷史可以追溯到1965年，20世紀70年代相關單位進行了鈦合金鉚釘及應用研究工作;20世紀80年代，我國部分第二代軍用飛機上開始使用鉚釘和螺栓等少量鈦合金緊固件;20世紀90年代后期，隨著國外第三代重型戰(zhàn)斗機生產(chǎn)線的引進和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機的研制，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研發(fā)，鈦合金緊固件率先在航空航天領域中大量應用[4]，在民機上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示，每架國產(chǎn)C919飛機約需鈦合金緊固件20萬件，按計劃2018年年產(chǎn)150架大飛機計算的話，每年需要3 000萬件鈦合金緊固件[2]。

1 優(yōu) 點

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用有以下優(yōu)點。

（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） 比強度高。鈦合金是常見金屬材料中比強度較高的金屬材料。利用比強度高的優(yōu)點，也可以采用鈦合金替代質(zhì)量較輕的鋁合金材料，當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域具有十分重要的意義。

（3） 熔點高。鈦合金的熔點顯著高于鋼鐵材料，所以鈦合金緊固件的耐熱性比鋼制緊固件耐熱性好。

（4） 熱膨脹系數(shù)和彈性模量小。根據(jù)熱應力計算公式：

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用在航電設備中。

（6） 屈強比高。承受拉伸載荷的緊固件設計臨界強度標準就是屈服強度，其次才是抗拉強度，因為一旦緊固件產(chǎn)生屈服變形，就會失去緊固作用。與鋼鐵材料相比，鈦合金的屈服強度與抗拉強度接近，屈強比較高，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。

表1 緊固件用不同材料特性比較[5]

Tab.1 Comparison in properties of different materials used for fastener[5]

2 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。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，表面強化，例如螺栓承力面與直桿過渡區(qū)的強化等;最后，機械加工，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度，其強度水平與30CrMnSiA高強度合金鋼接近，所以通常采用高強鈦合金材料。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，這是因為亞穩(wěn)定β型鈦合金鉬當量一般在10%左右。鉬當量小于10%的近β型鈦合金熱處理強化效果不足;鉬當量大于10%的穩(wěn)定β型鈦合金在時效熱處理過程中，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，可以進行冷鐓，避免采用專業(yè)的加熱設備和氣體保護介質(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

Tab.2 Titanium alloys used for fastener

表3和表4分別列出了鉚釘和螺栓用鈦合金材料的力學性能。由表3可知，鉚釘用純鈦抗拉強度在350 MPa以上，剪切強度在240～350 MPa;（α+β）型鈦合金鉚釘以退火態(tài)使用，β型鈦合金在固溶態(tài)使用，且兩種合金的抗拉強度基本相同，為800～950 MPa，剪切強度在600 MPa以上。螺栓用鈦合金材料除了TC4鈦合金以外，全部是亞穩(wěn)定β型鈦合金，且都在固溶+時效態(tài)使用，除了TB8，TB9和Ti-555合金材料的抗拉強度能達到1 200 MPa以上，大部分β型鈦合金的抗拉強度一般都為1 100 MPa左右，剪切強度為650～700 MPa。

表3 鉚釘用鈦合金材料的力學性能[2，4，6-7]

Tab.3 Mechanical properties of titanium alloys

used for rivet[2，4，6-7]

表4 螺栓用鈦合金材料固溶時效的力學性能[2，4，6-7]

Tab.4 Mechanical properties of titanium alloys

used for bolts[2，4，6-7]

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度的兩相鈦合金，也是研究和應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，只能采用熱鐓，且必須采用專門的熱鐓設備和加熱設備，不但影響生產(chǎn)效率，且材料利用率較低。針對高強緊固件，TC4鈦合金緊固件強度不能滿足要求，合金固溶時效后的抗拉強度最高達到1 100 MPa，剪切強度在650 MPa左右，由于TC4鈦合金淬透性差，固溶時效時，TC4鈦合金緊固件截面尺寸一般在19 mm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)?，其中TC4大多數(shù)螺栓已經(jīng)在國內(nèi)飛機、發(fā)動機、機載設備、航天飛行器和衛(wèi)星中獲得了大量應用。

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，也能通過熱處理進行強化，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效強化型兩相鈦合金，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)在航空航天領域重點型號產(chǎn)品上得到大量應用。

2.2.5 TB3鈦合金

TB3鈦合金[4]是一種可熱處理強化的亞穩(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2.8，合金固溶時效后可獲得較高的強度，主要用于制造1 100 MPa級高強度航空航天緊固件。

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，可進行多種緊固件的冷成形;時效后室溫抗拉強度可達1 000 MPa。波音公司已經(jīng)將TB5鈦合金緊固件應用在波音飛機上，我國也采用TB5鈦合金制造與殲擊機傘梁和衛(wèi)星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘[4]。

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、自擴散系數(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鈦合金高強螺栓已經(jīng)廣泛應用于我國航空領域重點型號產(chǎn)品上。

表5 TB8與Ti-15-3鈦合金氧化數(shù)據(jù)比較[8]

Tab.5 Comparison in oxidation data between TB8 and

Ti-15-3 titanium alloys[8]

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20%，斷面收縮率高達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度和剪切強度，分別達到450 MPa和350 MPa。

3 未來發(fā)展趨勢

3.1 超高強度鈦合金緊固件

隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，新型飛機以及航天飛行器采用的連接技術水平不斷提高，對新型緊固件也提出了新要求。未來研制的抗拉級別在1 200～1 500 MPa、剪切強度≥750 MPa的超高強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。在航空航天領域，由于新型號飛機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，尤其是在航天領域，要求新型高溫鈦合金材料能夠在600～800 ℃短時服役。通常采用Ti2AlNb合金替代較重的高溫合金，其變形比較嚴重，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型和高鋁當量的兩相鈦合金為主。在高溫下，鈦合金的強度和抗蠕變性能的提高主要依賴于Al，Sn，Zr的固溶強化作用，然而，受到鋁當量限制的影響，這些元素的含量不能無限地提高，所以在適當控制Al，Sn，Zr含量的情況下，通過多元素復合合金化進行補充強化來設計鈦合金。β穩(wěn)定化元素Mo對高溫鈦合金的高溫強度和蠕變強度有固溶強化作用，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的含量對性能至關重要，加入質(zhì)量分數(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的運動，產(chǎn)生彌散強化作用，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，而且會增強合金的有序化程度，促進Ti3Al相的生成。因此，Si含量應控制在較低水平，一般質(zhì)量分數(shù)不大于0.5%。因此，多元素復合強化仍然是新型高溫鈦合金材料設計的發(fā)展方向。

表6 常見緊固件用鈦合金的使用溫度

Tab.6 Usage temperatures of titanium alloys for

common fastener

參考文獻：

[1] 航天精工有限公司.緊固件概論[M].北京：國防工業(yè)大學出版社，2014.

[2] 張樹啟.緊固件用高強度鈦合金的發(fā)展[J].鈦工業(yè)進展，1998（5）：1-3.

[3] 周蕓，王超.鈦合金緊固件生產(chǎn)技術[J].鈦工業(yè)進展，2001（1）：12-15.

[4] 張利軍，王幸運，郭啟義，等.鈦合金材料在我國航空緊固件中的應用[J].航空制造技術，2013，436（16）：129-133.

[5] BEEN J，F(xiàn)ALLER K.Using Ti-5111 for marine fastener applications[J].JOM，1999，51（6）：21-24.

[6] YU K O，CRIST E M，PESA R，et al.Single-melt beta C for spring and fastener applications[J].Journal of Materials Engineering & 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展[C]∥第十四屆全國鈦及鈦合金學術交流會論文集.上海：中國有色金屬學會，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.