鈦合金材料在我國航空緊固件中的運(yùn)用初探

陳震遠(yuǎn) 葉飛 洪紅蓮 孫閃 王智慧

摘 要：隨著近年來我國航空工業(yè)的技術(shù)水平不斷提高，選擇鈦合金材料作為航空緊固件的材料已成為我國航空工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)階段?；诖?，本文簡述了我國航空緊固件材料使用鈦合金材料的優(yōu)勢，同時(shí)分析了航空使用的鉚釘緊固件和螺栓緊固件中鈦合金材料的應(yīng)用特點(diǎn)，希望對我國航空工業(yè)的發(fā)展提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：鈦合金材料;航空緊固件;運(yùn)用

前言：緊固件作為工業(yè)發(fā)展中十分重要的基礎(chǔ)構(gòu)件，自上世紀(jì)50年代以來，各國的航空工業(yè)均選擇使用鈦合金材料作為航空緊固件的主要材料，由于鈦合金材料具有耐腐蝕和高溫的特性，且其彈性和強(qiáng)度都符合航空行業(yè)的相關(guān)材料要求，因此其受到航空工業(yè)方面有關(guān)人員的高度重視，成為航空行業(yè)研究的重點(diǎn)方向。

1.鈦合金材料在航空緊固件的應(yīng)用優(yōu)勢

在航空工業(yè)中將鋼鐵材料緊固件和鈦合金材料緊固件進(jìn)行特性差異分析可知，鈦合金緊固件相比于鋼鐵緊固件而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：第一，鈦合金材料的磁導(dǎo)率較小，鈦合金材料緊固件屬于無磁緊固件，磁場對其產(chǎn)生的干擾情況可以忽略不計(jì)，同樣為無磁材料的奧氏體不銹鋼在經(jīng)過冷處理后會產(chǎn)生一定的磁性，而鈦合金材料不管經(jīng)過冷加工還是熱加工，其磁性均不會發(fā)生改變，因此，在航空工業(yè)中使用鈦合金材料具有明顯的優(yōu)勢。第二，鈦合金的密度較低，使得鈦合金材料制造的緊固件和其他材料緊固件相比，其質(zhì)量更小。第三，經(jīng)過試驗(yàn)證明，鈦合金材料的熔點(diǎn)比鋼鐵材料更高，鈦合金材料的耐高溫性質(zhì)也更符合航空緊固件的使用要求。第四，緊固件被拉伸后呈現(xiàn)的臨界強(qiáng)度為緊固件的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度緊隨其后，緊固件出現(xiàn)屈服形變后，會造成緊固件緊固作用丟失。鈦合金材料和鋼鐵材料的特性對比，鈦合金材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相近，其較高的屈服強(qiáng)度也可以最大程度的滿足航空緊固件制造要求。第五，鈦合金材料作為比強(qiáng)度較高的材料，其可以和輕質(zhì)鋁合金進(jìn)行替代。但若外加荷載不變的情況下，使用鈦合金材料制造的零部件尺寸會比使用鋁合金材料制造的更小，使得在空間利用方面，鈦合金的優(yōu)勢更為明顯，且空間的充分利用在航空工業(yè)發(fā)展方面有著十分重要的意義。對于我國航空工業(yè)鈦合金材料使用情況分析可知，在我國的航空緊固件制造中使用鈦合金材料的發(fā)展時(shí)間較短，缺少顯著特征。同時(shí)，在航空工業(yè)中，鈦合金緊固件盡管使用范圍較廣，但其使用占比較小的問題仍沒有得到徹底解決。

2.航空緊固件中鈦合金材料的應(yīng)用分析

2.1鉚釘緊固件中鈦合金材料的應(yīng)用

航空工業(yè)中使用的鉚釘緊固件需要冷態(tài)塑性較高的材料，這是保障冷鉚釘安裝工作的重要保障。通常而言，鈦合金材質(zhì)的鉚釘緊固件的耐腐蝕性能較強(qiáng)，可以進(jìn)行一定冷加工處理，是滿足航空工業(yè)鉚釘緊固件制造要求性能中較為良好的材料。常用制造航空工業(yè)鉚釘緊固件的鈦合金材料為：Ti-45Hb材料，TB2材料以及TB5材料。

Ti-45Hb材料在使用過程中，其伸長率可以達(dá)到20%以上，同時(shí)其可塑性和冷加工性能較好，合金材料和純鈦材料相比，其抗拉和剪切強(qiáng)度更佳，冷變形抗力更小，是最佳的航空鉚釘緊固件制造材料。當(dāng)前美國的航空領(lǐng)域在鉚釘緊固件制造上已使用Ti-45Hb材料替代純鈦材料，替代效果十分出色，即使在航空器剪切強(qiáng)度要求較高的部位，Ti-45Hb材料制造的鉚釘都能輕松負(fù)擔(dān)，在降低航空器整體質(zhì)量以及制造成本方面表現(xiàn)出色。

TB2材料是近年來我國航空鉚釘緊固件使用的制作材料，以TB2材料制造的鉚釘緊固件進(jìn)行技術(shù)分析可知，其材料屬于β鈦合金中的亞穩(wěn)定型，固溶條件下，其具有一定冷成型性能，同時(shí)其焊接性能較好，可以用來生產(chǎn)小規(guī)格的航空鉚釘緊固件?，F(xiàn)階段我國已經(jīng)將TB2材料的使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，并大范圍的應(yīng)用于航空緊固件的制造中，在保障航空緊固件質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對我國航空緊固件的制造工藝進(jìn)行了有效改善。

TB5材料同樣屬于β鈦合金中的亞穩(wěn)定型，此材料由美國空軍進(jìn)行的研發(fā)工作，其和純鈦材料相比，其冷成型性能更為良好，在固溶條件下可以進(jìn)行復(fù)雜零部件的冷成型操作。同時(shí)，TB5材料具有一定的抗腐蝕性能和拉伸強(qiáng)度，但是由于其在實(shí)際應(yīng)用階段存在抗氧化性能較差的情況，暫時(shí)只適用在200℃以內(nèi)的環(huán)境中的部件制造，TB5材料在200℃以內(nèi)的環(huán)境中可以保障制造出的鉚釘強(qiáng)度、性能和質(zhì)量符合航空工業(yè)緊固件使用標(biāo)準(zhǔn)，因此TB5材料的應(yīng)用價(jià)值較高[1]。

2.2螺栓緊固件中鈦合金材料的應(yīng)用

航空工業(yè)中使用的鈦合金螺栓緊固件和純鈦螺栓緊固件相比，鈦合金材料的螺栓緊固件強(qiáng)度和應(yīng)用性能均優(yōu)于純鈦材料的螺栓緊固件，實(shí)際應(yīng)用效果更佳。常用于制造航空工業(yè)螺栓緊固件的鈦合金材料為：TC4材料，TC6材料以及TB5材料。

TC4材料是美國上世紀(jì)中期研發(fā)制造的合金材料，該材料在當(dāng)前國際中應(yīng)用范圍和使用概率較高，在制造飛機(jī)起落架、航空器緊固件以及飛行器葉片制造等領(lǐng)域被廣泛使用。同時(shí)，TC4材料的工藝塑性較高，其制造構(gòu)件可以在400℃狀態(tài)下長時(shí)間的運(yùn)行。現(xiàn)階段我國飛行器使用的緊固件也開始使用TC4材料，其對于全面提高我國螺栓緊固件的性能和強(qiáng)度方面有著明顯的促進(jìn)作用，對我國的航空緊固件生產(chǎn)制造現(xiàn)狀起到了明顯的改善。

TC6材料是我國近年來開始應(yīng)用于航空緊固件的制造中的材料，其比TC4的耐高溫性能更強(qiáng)，可以在500℃的環(huán)境下長時(shí)間運(yùn)行。使用TC6材料的制造工藝技術(shù)較高，以此才能保證緊固件在使用時(shí)的效果。TC6材料的實(shí)際應(yīng)用為具有較高綜合性能的兩相鈦合金，其在退火的條件下可以繼續(xù)使用，同時(shí)還能通過對材料的熱處理進(jìn)行有效的強(qiáng)化，TC6材料同樣具有一定的抗腐蝕和抗氧化性能。

TB5材料作為β鈦合金中的亞穩(wěn)定型，其在熱處理強(qiáng)化和固溶狀態(tài)冷成型后的性能更強(qiáng)。在實(shí)際生產(chǎn)中TB5材料可以通過固溶和時(shí)效的方式進(jìn)行處理，以此增強(qiáng)螺栓緊固件的強(qiáng)度，滿足航空螺栓緊固件的使用要求，保障了緊固件的整體使用性能和效果[2]。

結(jié)束語：綜上所述，經(jīng)過分析可知，在航空工業(yè)中，鈦合金緊固件盡管使用范圍較廣，但其使用占比較小的問題仍沒有得到徹底解決，隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，業(yè)內(nèi)人員應(yīng)將研發(fā)強(qiáng)度更高，延展性更好，疲勞性更強(qiáng)，斷裂韌性更高的鈦合金材料作為航空事業(yè)發(fā)展的重要課題，為我國航空工業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李蒙，鳳偉中，關(guān)蕾，王新，張永強(qiáng)，王儉.航空航天緊固件用鈦合金材料綜述[J].有色金屬材料與工程，2018，39（04）：49-53.

[2]董瑞峰，李金山，唐斌，孫智剛，寇宏超.航空緊固件用鈦合金材料發(fā)展現(xiàn)狀[J].航空制造技術(shù)，2018，61（04）：86-91.