航空航天工程用鈦合金螺絲的合金牌號及特點

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(yōu)點.使其發(fā)展成為現(xiàn)代航空航天工業(yè)中廣有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料121。自從20世紀(jì)50年代美國首次將Ti-6AI-4V鈦合金螺栓應(yīng)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(yè)發(fā)達(dá)國家都紛紛展開了鈦合金緊固件的研究及工程應(yīng)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(jié)構(gòu)質(zhì)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(dá)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。鈦合金的正電位性能恰好與碳纖維復(fù)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(fù)合材料的最佳連接材料。因此,隨著先進(jìn)軍民用飛機鈦合金和復(fù)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150-200C,對于在飛行器結(jié)構(gòu)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-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附7。

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(yīng)用已經(jīng)非常普遍,大型民用飛機單機鈦合金緊固件的用量達(dá)到數(shù)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(fā)出來凹。我國鈦合金緊固件的研制歷史可追溯到1965年,成都飛機設(shè)計研究所根據(jù)新機需要提出研制鈦合金鉚釘.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89。20世紀(jì)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(jìn)和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機的研制,以及大最航空轉(zhuǎn)包生產(chǎn)業(yè)務(wù)的開展.我國航空工業(yè)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(yè)的發(fā)展.國內(nèi)相關(guān)單位有針對性地開展了大量基礎(chǔ)材料與緊固件制造技術(shù)方面的研究開發(fā)工作,目前我國自主研制生產(chǎn)的鈦合金緊固件已經(jīng)在我國的改型飛機和新設(shè)計的飛機中獲得了大量工程應(yīng)用。

1、鉚釘類緊固件用鈦合金材料

航空航天工業(yè)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(tài)塑性.只有冷態(tài)塑性好的材料制造的鉚釘,才能夠 進(jìn)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(tài)下為單一的晶粒、 且由于其具有體心立方的原子結(jié)構(gòu)排列.所以該類合金具有十分優(yōu)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?shù)难兄乒ぷ鳛槠瘘c的。1965 年,成都飛機設(shè)計研究所在新機研制時提出.計劃在其后機身鈦結(jié)構(gòu)件上采用鈦 合金鉚釘,并提出了論證和設(shè)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(shè)計研究所與成飛公司聯(lián)合展開了TB2鈦合金鉚釘?shù)难兄萍皯?yīng)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(guān)工作技術(shù)鑒定,制訂了暫行技術(shù)條件圖。TB2 鈦合金是-種亞穩(wěn)定型β鈦合金,合金名義成分Ti-3AI-8Cr- -5Mo -5V。該合金在固溶處理狀態(tài)下具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能,我國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,有時也用于小規(guī)格螺栓的制造。制造航空緊固件時, 其使用溫度一般在300C以下,航天緊固件可在短時間內(nèi)使用到500C中。

1986年，我國頒布了第一部鈦合金緊固件專用標(biāo)準(zhǔn)CJB120-1986《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(shù)標(biāo)準(zhǔn)CJB856- _90%抗拉型鈦合金環(huán)槽鉚釘規(guī)范》與GJB857.1- -90《1000沉頭抗拉型鈦合金進(jìn)環(huán)槽鉚釘》這3部標(biāo)準(zhǔn)都是TB2鈦合金鉚釘?shù)膶Ｓ眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn).就各類規(guī)格的TB2鉚釘進(jìn)行了明確規(guī)范,為其工程化批產(chǎn)及應(yīng)用奠定了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。目前TB2制造的鈦合金鉚釘已經(jīng)在我國航天工業(yè)中的多個型號獲得了大量應(yīng)用,同時在航空型號產(chǎn)品中也獲得了一定數(shù)量的應(yīng)用,均取得了良好的效果13-1。

1.2 TB5鈦合金

TB5鈦合金是- -種亞穩(wěn)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(fā)的.由洛克希德.馬丁公司確定成分、TMET公司進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。該合金具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷成形能力與純鈦相當(dāng),可在固溶狀態(tài)下進(jìn)行各種復(fù)雜零件的冷成形(如鉚釘鉚接),時效后室溫拉伸強度可達(dá)1000MPa以上,該合金由于其V元素含量高,抗氧化性能較差,-般在200C以下的工作環(huán)境中使用,但是該合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能間。

美國普惠公司在其生產(chǎn)的航空發(fā)動機上大量使用Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI鈦合金作為托架,美國B-1B轟炸機上Ti-15V-3Cr- 3Sn-3A1鈦合金零件的用量達(dá)到1000多個，Ti-15V-3Cr- 3Sn- 3AI鈦合金緊固件在波音飛機上也應(yīng)用了很多年網(wǎng)。我國使用TB5鈦合金替代30CrMnSiA制造某殲擊機傘梁以及制造衛(wèi)星發(fā)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(wèi)星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘凹。

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(yōu)點是塑性高(伸長率可達(dá)20%以上,斷面收縮率高達(dá)60%-80%),冷加工性能優(yōu)異,其剪切強度(τ≥350MPa)和抗拉強度(σ?！?50MPa)均高于純鈦,并且冷變形抗力低于純鈦,非常適合做復(fù)合材料連接用鉚釘材料。美國針對Ti-4SNb合金進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究工作.研制技術(shù)較為成熟,并于1974年列人AMS4982規(guī)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(chǎn)品中，Ti-45Nb合金已經(jīng)全面取代純鈦。該合金與Ti-6AI-4V合金搭配，.制成的雙金屬鉚釘,已經(jīng)在空客和波音飛機上獲得大量應(yīng)用17-19%。

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-6AI-4V釘桿和Ti-4SNb頭部組成.經(jīng)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(chǎn)生塑性變形,而Ti-6AI-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(gòu)件及復(fù)合材料構(gòu)件的鉚接。如美國F-14戰(zhàn)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(dāng),而成本可降低50%,重量輕30%-40%.這種雙金屬鉚釘?shù)某杀疽陀谄渌滦外伜辖疸T釘。近年來我國也相繼研制開發(fā)了該型雙金屬鉚釘和Ti- 45Nb鉚釘,已經(jīng)在新一代飛機的復(fù)合材料蒙皮鉚接中獲得了工程應(yīng)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, -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(dāng)12。

2.1 TC4鈦合金(?！?100MPa級)

TC4 (美國牌號Ti-6AI-4V )鈦合金最初由美國在1954年首先研制成功,目前已經(jīng)發(fā)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(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。已經(jīng)廣泛用于制造飛機結(jié)構(gòu)中的梁、框、起落架、緊固件.航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機盤、機匣、葉片等,同時也大量用于其他行業(yè)中,目前占鈦合金產(chǎn)量的一半以上。該合金具有良好的工藝塑性和超塑性，合金a+BIp轉(zhuǎn)變溫度980~- 1010C,長期工作溫度可達(dá)400C。1973年開始，為配合渦扇-8航空發(fā)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(yīng)用121956年,美國采用TC4 (Ti-6A1-4V )鈦合金制造了當(dāng)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3erMnsiA螺栓),由于使用效果非常好，很快就被推廣應(yīng)用.現(xiàn)在西方幾平所有的飛機都在大量采用TC4 mlAY 41)社合金制造其螺栓。但是由于TC4 (Ti-6A144V)是α+ β敘相合金，不能冷鍛成形、其釘頭必須加熱鐓制.熱處理需真空水淬和時效,對加工設(shè)備及工藝要求高。20世紀(jì)80年代后期，我國相關(guān)單位開展了TC4鈦合金緊固件熱鐓技術(shù)研究,先后開發(fā)出了熱鐓機床，與20世紀(jì)90年代實現(xiàn)了TC4鈦合金緊固件的工業(yè)化生產(chǎn)。目前我國多個航空航天標(biāo)準(zhǔn)件廠 都具有批量生產(chǎn)TC4螺栓的熱鐓設(shè)備與技術(shù)能力,采用TC4鈦合金制造的螺栓已經(jīng)在我國新一代軍機、航天飛行器、衛(wèi)星中獲得了大量工程應(yīng)用126.10.2%。

2.2TC6鈦合金(α≥980MPa級)

為滿足航空發(fā)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 C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,該預(yù)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(lián)研制的BT3-1鈦合金,名義成分為Ti-6A1-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si,目前在俄羅斯得到廣泛應(yīng)用2。我國在1979年為配合WP13航空發(fā)動機TC6鈦合金尾桿等部件及配套緊固件的研制工作，進(jìn)行了該合金的仿制工作及應(yīng)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,一般在退人狀態(tài)不使用也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚韽娀?。該合金具有良好的性?抗氧化性能和耐腐蝕性能非常優(yōu)異,其制造的零部件可在400C下長時間工作600h以上.450tC中P長時間工作2000以上。等溫退火處理后室溫抗拉強度大于980MPaJ屆服強度C大于840MPa、延伸率大于10%、斷面收縮率大于25%。400C高溫拉伸強度大于720MPa、延伸率大于14%、斷面收縮率大于40%。為了進(jìn)一步提高其使用強度.也可進(jìn)行“固溶+時效"處理日。

2.3 TC16(σ?！?030MPa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(shù)尺寸較大的采用熱鐓成形加工，冷鐓工藝使緊固件實現(xiàn)了大批量連續(xù)生產(chǎn)。但是大部分工業(yè)鈦 合金由于冷成形性能差.無法進(jìn)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(chǎn).熱鐓工藝的缺點在于:坯料加熱時易出現(xiàn)局部燒傷和過熱以及表面氧化,同時不易實現(xiàn)自動化連續(xù)鐓制、生產(chǎn)效率低。為了提高鈦合金緊固件生產(chǎn)效率及其質(zhì)量的穩(wěn)定性.前蘇聯(lián)研制開發(fā)了緊固件專用冷鐓用BTI6鈦合金,實現(xiàn)了鈦合金緊固件冷鐓技術(shù)的發(fā)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(yīng)用1.27。BT16 (我國仿制牌號TC16)鈦合金名義成分Ti-3AI- -5Mo -4.5V,該合金是馬氏體型ax+β型雙相鈦合金，β穩(wěn)定系數(shù)為0.83,接近臨界成分。該鈦合金主要用于制造工作溫度350C以下的航空緊固件,合金a+β/β轉(zhuǎn)變溫度( 860+20) C。較小的β晶粒和在退火狀態(tài)下高達(dá)25%的β相體積分?jǐn)?shù)決定了BT16合金具有優(yōu)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(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本.隨后在固溶時效熱處理后其強度可達(dá)1030~1 180MPa。俄羅斯(前蘇聯(lián))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(xiàn)任何質(zhì)量事故。我國20世紀(jì)90年代從俄羅斯引進(jìn)了Su-27飛機生產(chǎn)線(為了滿足Su- -27飛機的國 產(chǎn)化需求，國內(nèi)相關(guān)單位隨即開展了BT16鈦合金及其緊固件的國產(chǎn)化工作!我國仿制后命名為TC16鈦合金。有前我國自主研制生產(chǎn)的Te16鈦合金螺栓已經(jīng)在國產(chǎn)的第三代戰(zhàn)斗機上獲得了大量工程應(yīng)用P1.2。

2.4 TB3(o。≥1100MPa級)

20世紀(jì)七八十年代,美國等西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航空航天用1100MPa級鈦合金螺栓主要采用TC4 (Ti-6AI-4V )鈦合金材料制造,都是采用熱鐓成形工藝生產(chǎn)。我國20世紀(jì)70年代末80年代初應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接需求,急需1100MPa的鈦合金螺栓類緊固件,由于受到熱鐓設(shè)備的限制(當(dāng)時國內(nèi)沒有熱鐓成形設(shè)備),無法研， 制生產(chǎn)100MPa級的TC4 (Ti-6AI-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(fā)出來的。TB3合金的成分設(shè)計參照了美國鈦金屬公司20世紀(jì)研制開發(fā)的Ti-8Mo- -8V-2Fe- 3AI鈦合金。

TB3鈦合金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( D/D。)可達(dá)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300C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(jìn)展.并形成了相關(guān)技術(shù)規(guī)范。在20世紀(jì)80年代中后期國產(chǎn)TB3鈦合金先后制成高鎖螺栓和干涉型螺栓，裝于飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)，為我國鈦合金螺栓類緊固件的應(yīng)用摸索出了二定經(jīng)驗基礎(chǔ)。該合金現(xiàn)已廣泛用做1100MPa鈦合金螺栓的制造,并已成功應(yīng)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(yè)化生產(chǎn)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?shù)闹圃?我國在2006年頒布的CJB120-2006《鈦及鈦合金鉚釘》中也將TB3鈦材作為鉚釘用料正式列人標(biāo)準(zhǔn)12.231。

2.5 TB8鈦合金( σp≥1280MPa級)

隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展,在軍民用飛機上所采用的機械連接技術(shù)要求越來越高,其所采用的標(biāo)準(zhǔn)件技術(shù)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(xiàn)整機性能的重要結(jié)構(gòu)件。未來航空航天技術(shù)的發(fā)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(fā)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(fā)出了Timetal555鈦合金高強螺栓.其固溶時效后抗拉強度達(dá)1300MPa以上、雙剪強度大于745MPa.延伸率大于10% .各項性能指標(biāo)完全達(dá)到了典型的1250MPa鍍鎘合金鋼緊固件規(guī)范的要求。SPS 航空緊固件集團(tuán)采用SPS TITANTM761鈦合金加工制造的螺栓產(chǎn)品Aerlite180,其抗拉強度可達(dá)1240MPa剪切強度可達(dá)745MPa,達(dá)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(jìn)航空航天鈦合金緊固件發(fā)展趨勢,近年來西工大超晶公司與信陽航天標(biāo)準(zhǔn)件廠聯(lián)合研制開發(fā)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(guī)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-3AI-2.7Nb-15Mo, β2IS合金是美國鈦金屬公司( Timent ) 1989年為NASP計劃研制開發(fā)的亞穩(wěn)定β型鈦合金，β21S鈦合金具有優(yōu)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(shè)計者和制造者的認(rèn)可.作為優(yōu)良的宇航結(jié)構(gòu)材料于1994年首先被列人美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，美國主要使用該合金制造航天飛機用鈦基復(fù)合材料及波音777等飛機發(fā)動機吊艙部件。我國從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行了該合金的仿制工作,完成了某型飛機結(jié)構(gòu)件用TB8鈦合金鍛件及鈑金件的研制及應(yīng)用研究工作，由于最終沒有獲得工程化應(yīng)用，僅在CB/T3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》中對其牌號及成分進(jìn)行規(guī)范.其材料及產(chǎn)品沒有形成國標(biāo)、國軍標(biāo)以及航標(biāo)規(guī)范132期。

信陽航天標(biāo)準(zhǔn)件廠與西工大超晶公司聯(lián)合研制開發(fā)的1280MPa級TB8鈦合金螺栓實物照片見圖1,主要性能指標(biāo)見表1。由于該合金的采用的β穩(wěn)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(dá)550C,徹底解決了傳統(tǒng)高強B鈦合金緊固件使用溫度低(不高于300C)的問題。目前，研制開發(fā)的該1280MPa級TB8鈦合金高強螺栓已經(jīng)在我國新一代飛機中獲得了工程應(yīng)用,取得了良好的減重效果和與復(fù)合材料相容性效果。

3、總結(jié)

可以看出,航空用鈦合金緊固件的研究與應(yīng)用自工業(yè)鈦合金出現(xiàn)就已經(jīng)開始,美國.俄羅斯(前蘇聯(lián))等航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家在很早就已經(jīng)形成了符合自身工藝技術(shù)的緊固件用鈦合金材料體系,鈦合金緊固件已經(jīng)在其航空制造領(lǐng)域獲得了大量應(yīng)用。而我國航空用鈦合金緊固件的研究及應(yīng)用起步較晚,都是在航空發(fā)動機或飛機的仿制、技術(shù)借鑒或引進(jìn)改進(jìn)過程中被動進(jìn)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(lián)).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(yè)的迅速發(fā)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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