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(chēng)為“工業(yè)之米”。我國(guó)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(wàn)計(jì)，類(lèi)以群分，連結(jié)構(gòu)，接系統(tǒng)，小物大為。
按種類(lèi)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(xiāo)、擋圈、鏈接副和緊固件-組合件等13大類(lèi)；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(lèi)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(lái)越多的航空 航天緊固件青睞于鈦合金材料。在國(guó)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(guó)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(guó)、法國(guó)等歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，鈦合金緊固件95％以上都采用國(guó)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(guó) 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(wàn) 件，質(zhì) 量 減 輕 600kg。我國(guó)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(guó)部分第二代軍用飛機(jī)上開(kāi)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(guó)外第三代重型戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)線的引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)的研制，我國(guó)開(kāi)始使用了一些鈦合金緊固件；近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，各單位相繼開(kāi)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?chē)?guó)產(chǎn)C919飛機(jī)約需鈦合金緊固件20萬(wàn)件，按計(jì)劃2018年年產(chǎn)150架大飛機(jī)計(jì)算的話(huà)，每年需要3000萬(wàn)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(jiàn)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(duì)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(wú)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(wú)磁的，能夠有效防止磁場(chǎng)的干擾。奧氏體不銹鋼也是無(wú)磁的，但后續(xù)冷加工會(huì)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(huì)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(guò)渡區(qū)的強(qiáng)化等；最后，機(jī)械加工，例如車(chē)、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(guò)程中需要一端或者兩端鐓頭，所以鉚接過(guò)程對(duì)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(lèi)，具體見(jiàn)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(guò)程中，β相穩(wěn)定性會(huì)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(zhuān)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)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(duì)高強(qiáng)緊固件，TC4鈦合金緊固件強(qiáng)度不能滿(mǎn)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(guó)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T(mén)i-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(guò)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(lèi)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(hào)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(jí)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(guó)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(jiàn)表5。目前，TB8鈦合金高強(qiáng)螺栓已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空領(lǐng)域重點(diǎn)型號(hào)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(zhuān)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(wú)法滿(mǎn)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(lái)，人們研制出了 Ti-45Nb合金，這種合金室溫塑性高，室溫伸長(zhǎng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)
3.1超高強(qiáng)度鈦合金
緊固件隨著我國(guó)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(duì)新型緊固件也提出了新要求。未來(lái)研制的抗拉級(jí)別在1200～1500MPa、剪切強(qiáng)度≥750MPa的超高強(qiáng)鈦合金緊固件是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)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(jiàn)表5。在航空航天領(lǐng)域，由于新型號(hào)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，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(wú)法滿(mǎn)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(lái)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(lài)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(wú)限地提高，所以在適當(dāng)控制 Al，Sn，Zr含量的情況下，通過(guò)多元素復(fù)合合金化進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化來(lái)設(shè)計(jì)鈦合金。β穩(wěn)定化元素 Mo對(duì)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(lèi)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(duì)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(duì)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(huì)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(jiàn)緊固件用鈦合金的使用溫度
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