鈦合金材料在我國航空緊固件中的應用
2014-1-22 來源：數控機床市場網 作者：張利軍 王幸運 郭啟義 謝田 薛祥義
鈦合金材料作為一種 20 世紀中期出現并發展起來的新興結構材料，因其具有優異的耐腐蝕性、高的比強度以及無磁性等一系列優點，在航空航天等端工業部門獲得了廣泛應用。在 20 世紀 50 年代，美國就已經開始使用鈦合金材料制造航空緊固件，我國從20世紀 80 年代開始才陸續使用鈦合金材料制造少量的工程用航空航天緊固件，進入 21 世紀之后，隨著我國航空航天工業制造技術水平的整體提升，緊固件用鈦合金材料及其加工制造技術獲得了系統化、專業化的發展。
關鍵詞： 緊固件 鈦合金 航空
鈦及鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優點，使其發展成為現代航空航天工業中廣有前途的金屬結構材料。自從 20 世紀 50 年代美國首次將 Ti-6Al-4V 鈦合金螺栓應用于 B-52 型轟炸機上，并取得了非常好的減重效果后，各航空工業發達國家都紛紛展開了鈦合金緊固件的研究及工程應用。鈦合金緊固件代替大部分比強度較低的鋼制緊固件后，對飛行器減重取得非常顯著的效果。如波音 747 飛機緊固件以鈦代鋼后，其結構質量減輕了1814 kg；俄羅斯的伊爾 -96 飛機，一架用 14.2 萬件鈦合金緊固件，較鋼件重量減輕達 600kg ；一架圖 204 飛機上采用 940kg 的BT16 鈦合金緊固件，較鋼件減輕 688kg[4]。鈦合金的正電位性能恰好與碳纖維復合材料相匹配， 有效地防止了緊固件的電偶腐蝕，使鈦合金成為復合材料的最佳連接材料。因此，隨著先進軍民用飛機鈦合金和復合材料用量的不斷增加，對鈦合金緊固件的需求日益增加。鈦合金比鋁合金的使用溫度高出 150~200℃，對于在飛行器結構中因工作溫度過高而不能采用鋁合金緊固件的部位，鈦合金將是一種更好的選擇。此外，鈦合金所固有的良好彈性和無磁性，對防止緊固螺栓的松動和防磁場干擾也具有非常重要的作用。
在美國軍民用飛機上，鈦合金緊固件已基本取代了合金鋼緊固件。國外鈦合金緊固件的應用已經非常普遍，大型民用飛機單機鈦合金緊固件的用量達到數十萬件，同時各類新型的鈦合金緊固件也被不斷地研制開發出來。我國鈦合金緊固件的研制歷史可追溯到 1965年，成都飛機設計研究所根據新機需要提出研制鈦合金鉚釘，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 年代在我國部分第二代軍用飛機上開始少量使用鈦合金鉚釘、螺栓等緊固件。20世紀 90 年代后期，隨著國外第三代重型戰斗機生產線的引進和國產第三代戰斗機的研制，以及大量航空轉包生產業務的開展，我國航空工業中開始使用一些鈦合金緊固件。近年來隨著我國航空航天工業的發展，國內相關單位有針對性地開展了大量基礎材料與緊固件制造技術方面的研究開發工作，目前我國自主研制生產的鈦合金緊固件已經在我國的改型飛機和新設計的飛機中獲得了大量工程應用。
1 鉚釘類緊固件用鈦合金材料
航空航天工業中常用的緊固件主要包括鉚釘、螺栓及特種緊固件 3 大類。對鉚釘來說，最重要的是材料的冷態塑性，只有冷態塑性好的材料制造的鉚釘，才能夠進行冷鉚接安裝。通常在對強度要求不太高而對耐蝕性能要求高的部位采用鈦合金鉚釘，β 型鈦合金由于在固溶狀態下為單一的β晶粒、且由于其具有體心立方的原子結構排列，所以該類合金具有十分優異的冷加工性能，非常適用于制造鈦合金鉚釘
1.1 TB2 鈦合金
我國鈦合金緊固件的研制就是以 TB2 鈦合金鉚釘的研制工作為起點的。1965 年，成都飛機設計研究所在新機研制時提出，計劃在其后機身鈦結構件上采用鈦合金鉚釘，并提出了論證和設計。從 1970 年開始，在天津冶金局材料研究所和有色金屬研究院等單位的配合下，成都飛機設計研究所與成飛公司聯合展開了 TB2 鈦合金鉚釘的研制及應用研究工作，先后完成了 TB2 鈦合金材料研制、絲材冷鐓成形研究、鉚釘鉚接試驗研究等工作，并于 1979 年完成了相關工作技術鑒定，制訂了暫行技術條件。TB2 鈦合金是一種亞穩定型 β 鈦合金，合金名義成分 Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。該合金在固溶處理狀態下具有優異的冷成形性能和焊接性能，我國目前主要用作制造衛星波紋殼體、星箭連接帶及各類冷鐓鉚釘，有時也用于小規格螺栓的制造。制造航空緊固件時，其使用溫度一般在 300℃以下，航天緊固件可在短時間內使用到 500℃。
1986 年，我國頒布了第一部鈦合金緊固件專用標準 GJB120-1986《鈦合金鉚釘》，1990 年我國頒布了第2部及第3部鈦合金緊固件專用技術標準GJB856-90 《抗拉型鈦合金環槽鉚釘規范》 與 GJB857.1-90《100°沉頭抗拉型鈦合金進環槽鉚釘》，這 3 部標準都是 TB2 鈦合金鉚釘的專用技術標準，就各類規格的 TB2 鉚釘進行了明確規范，為其工程化批產及應用奠定了標準基礎。目前 TB2 制造的鈦合金鉚釘已經在我國航天工業中的多個型號獲得了大量應用，同時在航空型號產品中也獲得了一定數量的應用，均取得了良好的效果。
1.2 TB5 鈦合金
TB5 鈦合金是一種亞穩定 β 型鈦合金，其名義成分為 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。該合金最初是在美國空軍的資助下開發的，由洛克希德·馬丁公司確定成分、TIMET公司進行規模化生產。該合金具有優異的冷成形性能，其冷成形能力與純鈦相當，可在固溶狀態下進行各種復雜零件的冷成形 （如鉚釘鉚接），時效后室溫拉伸強度可達 1000MPa 以上，該合金由于其 V 元素含量高，抗氧化性能較差，一般在 200℃以下的工作環境中使用，但是該合金具有優異的抗腐蝕性能。
美國普惠公司在其生產的航空發動機上大量使用Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 鈦合金作為托架，美國 B-1B 轟炸機上 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 鈦合金零件的用量達到1000 多個， Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al 鈦合金緊固件在波音飛機上也應用了很多年。我國使用 TB5 鈦合金替代30CrMnSiA 制造某殲擊機傘梁以及制造衛星發動機波紋板等部件，同時采用 TB5 鈦合金制造與殲擊機傘梁和衛星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘。1.3 Ti-45Nb 合金Ti-45Nb 合金作為一種鉚釘專用材料，其突出的優點是塑性高 （伸長率可達 20% 以上，斷面收縮率高達 60%~80%），冷加工性能優異，其剪切強度（τ ≥ 350MPa）和抗拉強度 （σb≥ 450MPa）均高于純鈦，并且冷變形抗力低于純鈦，非常適合做復合材料連接用鉚釘材料。美國針對 Ti-45Nb 合金進行了大量的基礎研究工作，研制技術較為成熟，并于 1974 年列入AMS4982 規范，2002 年修訂為 AMS4982C，至今獲得廣泛使用。美國在航空航天鉚釘產品中，Ti-45Nb 合金已經全面取代純鈦。該合金與 Ti-6Al-4V 合金搭配，制成的雙金屬鉚釘，已經在空客和波音飛機上獲得大量應用。
對于要求剪切強度高，在安裝過程中不允許鉚釘桿變形的鉚釘，一般采用雙金屬鈦合金鉚釘，雙金屬鈦合金鉚釘是由 Ti-6Al-4V 釘桿和 Ti-45Nb 頭部組成，經過慣性摩擦焊接，緊密融合在一起而形成了一個整體實心鉚釘。這種雙金屬鉚釘在鉚接時，只需用較小的沖擊力就可以使 Ti-45Nb 鉚釘頭產生塑性變形，而 Ti-6Al-4V鉚釘桿卻不變形。雙金屬鈦合金鉚釘在 B-1 轟炸機、波音等飛機上廣泛用于鈦合金構件及復合材料構件的鉚接。如美國 F-14 戰斗機機翼前緣使用 4000 只該雙金屬鉚釘，其疲勞性能與高鎖螺栓相當，而成本可降低50%，重量輕 30%~40%，這種雙金屬鉚釘的成本要低于其他 β 型鈦合金鉚釘。近年來我國也相繼研制開發了該型雙金屬鉚釘和 Ti-45Nb 鉚釘，已經在新一代飛機的復合材料蒙皮鉚接中獲得了工程應用。
2 螺栓類緊固件用鈦合金材料
航空航天緊固件中使用量最大的是鈦合金螺栓，鈦合金螺栓按其用途可分為普通螺栓、高鎖螺栓及干涉型螺栓等。以來制造螺栓的鈦合金材料，一般要求其熱處理后獲得高的抗拉強度和剪切強度，通常要求其強度水平與 30CrMnSiA 高強度合金鋼相當。
2.1 TC4 鈦合金 （σb≥ 1100MPa 級）TC4（美國牌號 Ti-6Al-4V）鈦合金最初由美國在1954 年首先研制成功，目前已經發展成為一種國際性的鈦合金，是目前人們對其研究最為全面、最為深入的鈦合金。在航空、航天、民用等工業中得到了廣泛應用。已經廣泛用于制造飛機結構中的梁、框、起落架、緊固件，航空發動機風扇、壓氣機盤、機匣、葉片等，同時也大量用于其他行業中，目前占鈦合金產量的一半以上。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，合金 α+β/β 轉變溫度980~1010℃，長期工作溫度可達400℃。1973年開始，為配合渦扇 -8 航空發動機 TC4 鈦合金葉片的研制工作，我國開始了該合金的研究與工程應用。
1956 年，美國采用 TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金制造了當今世界上第一批鈦合金螺栓，首先用在 B-52 轟炸機上（代替原 30CrMnSiA 螺栓），由于使用效果非常好，很快就被推廣應用，現在西方幾乎所有的飛機都在大量采用 TC4（Ti-6Al-4V） 鈦合金制造其螺栓。但是由于TC4（Ti-6Al-4V）是 α+β 雙相合金，不能冷鐓成形、其釘頭必須加熱鐓制， 熱處理需真空水淬和時效，對加工設備及工藝要求高。20 世紀 80 年代后期，我國相關單位開展了 TC4 鈦合金緊固件熱鐓技術研究，先后開發出了熱鐓機床，與 20 世紀 90 年代實現了 TC4 鈦合金緊固件的工業化生產。目前我國多個航空航天標準件廠都具有批量生產 TC4 螺栓的熱鐓設備與技術能力，采用TC4 鈦合金制造的螺栓已經在我國新一代軍機、航天飛行器、衛星中獲得了大量工程應用。
2.2 TC6 鈦合金 （σb≥ 980MPa 級）
為滿足航空發動機高溫使用要求，北京航空制造工程研究所研制出了可耐 500 ℃以下高溫的 TC6（俄羅斯材料 BT3-1） 鈦合金緊固件，與 TC4 鈦合金相比，該材料對溫度具有較高的敏感性，其緊固件制造更困難。該合金是前蘇聯研制的 BT3-1 鈦合金，名義成分為 Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，目前在俄羅斯得到廣泛應用。我國在 1979 年為配合 WP13 航空發動機TC6 鈦合金尾桿等部件及配套緊固件的研制工作，進行了該合金的仿制工作及應用研究工作。TC6 合金是一種綜合性能良好的馬氏體型 α+β型雙相鈦合金，一般在退火狀態下使用，也可進行適當的熱處理強化。該合金具有良好的性能，抗氧化性能和耐腐蝕性能非常優異，其制造的零部件可在 400℃下長時間工作 6000h 以上、450℃下長時間工作 2000h 以上。等溫退火處理后室溫抗拉強度大于 980MPa，屈服強度大于 840MPa、延伸率大于 10%、斷面收縮率大于 25%。400℃高溫拉強度大于 720MPa、延伸率大于 14%、斷面收縮率大于 40%。為了進一步提高其使用強度，也可進行“固溶 + 時效” 處理。
2.3 TC16（σb≥ 1030MPa 級）
目前對于鋼制緊固件，大部分都采用冷鐓成形加工，只有少數尺寸較大的采用熱鐓成形加工，冷鐓工藝使緊固件實現了大批量連續生產。但是大部分工業鈦合金由于冷成形性能差，無法進行冷鐓成形加工。因此，在西方國家，TC4 鈦合金緊固件主要采用熱鐓成形工藝方法生產，熱鐓工藝的缺點在于：坯料加熱時易出現局部燒傷和過熱以及表面氧化，同時不易實現自動化連續鐓制、生產效率低。為了提高鈦合金緊固件生產效率及其質量的穩定性，前蘇聯研制開發了緊固件專用冷鐓用BT16 鈦合金，實現了鈦合金緊固件冷鐓技術的發展和跨越，并在伊爾 76、伊爾 86、伊爾 96、安 124、Su27 系列等蘇制（俄制）飛機上獲得了大量工程應用。
BT16（我國仿制牌號 TC16） 鈦合金名義成分 Ti-3Al-5Mo-4.5V，該合金是馬氏體型 α+β 型雙相鈦合金，β 穩定系數為 0.83，接近臨界成分。該鈦合金主要用于制造工作溫度 350℃以下的航空緊固件，合金α+β/β 轉變溫度 （860±20）℃。較小的 β 晶粒和在退火狀態下高達 25 % 的 β 相體積分數決定了 BT16 合金具有優異的室溫工藝塑性，所以該合金可在室溫條件下完成緊固件頭部的冷鐓成形，因而明顯提高了其螺栓生產效率、 降低了生產成本，隨后在固溶時效熱處理后其強度可達 1030~1180MPa。俄羅斯（前蘇聯） 鈦合金螺栓類緊固件主要采用 BT16 鈦合金制造，使用了幾十年沒有出現任何質量事故。我國 20 世紀 90 年代從俄羅斯引進了 Su-27 飛機生產線，為了滿足 Su-27 飛機的國產化需求，國內相關單位隨即開展了 BT16 鈦合金及其緊固件的國產化工作， 我國仿制后命名為 TC16 鈦合金。目前，我國自主研制生產的 TC16 鈦合金螺栓已經在國產的第三代戰斗機上獲得了大量工程應用。
2.4 TB3（σb≥ 1100MPa 級）
20 世紀七八十年代，美國等西方工業發達國家的航空航天用 1100MPa 級鈦合金螺栓主要采用 TC4（Ti-6Al-4V）鈦合金材料制造，都是采用熱鐓成形工藝生產。我國 20 世紀 70 年代末 80 年代初應復合材料結構連接需求，急需 1100MPa 的鈦合金螺栓類緊固件，由于受到熱鐓設備的限制 （當時國內沒有熱鐓成形設備），無法研制生產 1100MPa 級的 TC4（Ti-6Al-4V） 螺栓，為此主要集中精力研制可以直接冷鐓的 β 型鈦合金，TB3 鈦合金就是在這種背景條件下研制開發出來的。TB3 合金的成分設計參照了美國鈦金屬公司 20 世紀研制開發的Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al 鈦合金。
TB3 鈦合金是一種可熱處理強化的亞穩定 β 型鈦合金，合金名義成分為 Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。該合金的主要優點是固溶處理狀態具有優異的冷成形性能，冷鐓比（Dt/D0） 可達 2.8，“固溶 + 時效” 制度處理后可獲得高的強度，主要用于制造使用溫度低于 300℃的 1100MPa 級高強度航空航天緊固件。1982 年 10 月，我國開始了 TB3 鈦合金螺栓的研制工作，1985 年研制工作取得進展，并形成了相關技術規范。在 20 世紀 80年代中后期國產 TB3 鈦合金先后制成高鎖螺栓和干涉型螺栓，裝于飛機復合材料結構與金屬結構，為我國鈦合金螺栓類緊固件的應用摸索出了一定經驗基礎。該合金現已廣泛用做 1100MPa 鈦合金螺栓的制造，并已成功應用于 Y-7、J-8、J-10 飛機及某些航天飛行器上。
目前，TB3 鈦合金已成為我國能夠工業化生產的宇航飛行器用鈦合金螺栓類緊固件的主要材料。同時，該鈦合金也用于鉚釘的制造，我國在 2006 年頒布的 GJB120-2006《鈦及鈦合金鉚釘》中也將 TB3 鈦材作為鉚釘用料正式列入標準。
2.5 TB8 鈦合金 （σb≥ 1280MPa 級）
隨著航空航天技術的飛速發展，在軍民用飛機上所采用的機械連接技術要求越來越高，其所采用的標準件技術含量也越來越高，其在整機上所起的作用已不僅是 “緊固” 、“連接” 作用，而是成為實現整機性能的重要結構件。未來航空航天技術的發展趨勢要求新型緊固件的比強度高，即要求重量輕、強度高。所以美國、俄羅斯、法國等世界航空強國都在積極開發抗拉強度1200MPa 以上的高強度鈦合金材料及其緊固件。近年來，美鋁公司開發出了 Timetal555 鈦合金高強螺栓，其固溶時效后抗拉強度達 1300MPa 以上、雙剪強度大于745MPa、延伸率大于 10%，各項性能指標完全達到了典型的 1250MPa 鍍鎘合金鋼緊固件規范的要求。SPS 航空緊固件集團采用 SPS TITANTM761 鈦合金加工制造的螺栓產品 Aerlite180，其抗拉強度可達 1240MPa、剪切強度可達 745MPa，達到了許多合金鋼和耐蝕合金緊固件的強度水平，同時減重 40% 。
為了緊跟國際先進航空航天鈦合金緊固件發展趨勢，近年來西工大超晶公司與信陽航天標準件廠聯合研制開發了緊固件專用 TB8 鈦合金棒絲材及其 1280MPa 高強螺栓類緊固件，其規格從φ4~φ25。TB8 鈦合金是我國仿制美國的 β21S 鈦合金，其名義成分為 Ti-3Al-2.7Nb-15Mo，β21S 合金是美國鈦金屬公司（Timent）1989 年為 NASP 計劃研制開發的亞穩定 β 型鈦合金，β21S鈦合金具有優異的冷熱加工性能、深的淬透性、高的抗蠕變性能、高的抗氧化性能和良好的抗腐蝕性能，所以該合金得到了飛機設計者和制造者的認可，作為優良的宇航結構材料于 1994 年首先被列入美國的 ASTM 標準中，美國主要使用該合金制造航天飛機用鈦基復合材料及波音 777 等飛機發動機吊艙部件。我國從 20 世紀 90 年代開始進行了該合金的仿制工作，完成了某型飛機結構件用 TB8 鈦合金鍛件及鈑金件的研制及應用研究工作，由于最終沒有獲得工程化應用，僅在 GB/T3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》 中對其牌號及成分進行規范，其材料及產品沒有形成國標、國軍標以及航標規范。
信陽航天標準件廠與西工大超晶公司聯合研制開發的 1280MPa 級 TB8 鈦合金螺栓實物照片見圖 1，主要性能指標見表 1。由于該合金的采用的 β 穩定元素為高熔點、抗氧化的鉬元素和鈮元素，而非 TB2、TB3 鈦合金采用的抗氧化性能差的釩元素，所以該合金制造的緊固件長時間使用溫度可達 550℃，徹底解決了傳統高強 β 鈦合金緊固件使用溫度低 （不高于 300℃）的問題。目前，研制開發的該 1280MPa 級 TB8 鈦合金高強螺栓已經在我國新一代飛機中獲得了工程應用，取得了良好的減重效果和與復合材料相容性效果。
3 總結
可以看出，航空用鈦合金緊固件的研究與應用自工業鈦合金出現就已經開始，美國、俄羅斯（前蘇聯）等航空工業發達國家在很早就已經形成了符合自身工藝技術的緊固件用鈦合金材料體系，鈦合金緊固件已經在其航空制造領域獲得了大量應用。而我國航空用鈦合金緊固件的研究及應用起步較晚，都是在航空發動機或飛機的仿制、技術借鑒或引進改進過程中被動進行的，制造緊固件的鈦合金材料基本都是借鑒或仿制俄羅斯（前蘇聯）、美國的，同時我們國家航空緊固件中鈦合金緊固件的占有量相對較低。隨著我國航空工業的迅速發展及對飛行器性能要求的不斷提高，未來高性能航空緊固件對其制造鈦合金材料提出了更高強度、更高斷裂韌性、更高疲勞性能要求。
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