淺析鈦合金材料在航空緊固件中的應(yīng)用

　　鈦合金具有良好的耐腐蝕性、無(wú)磁性以及比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),迅速引起了航空部門(mén)的重視,并得到了大量的應(yīng)用。上世紀(jì)五十年代,美國(guó)在B-52型轟炸機(jī)上應(yīng)用了鈦合金螺栓,得到了良好的減重效果,鈦合金材料便引起了各個(gè)國(guó)家航空工業(yè)部門(mén)的重視。實(shí)踐證明,采用鈦合金材料制造的航空緊固件能夠大幅度減輕飛行器的重量,如波音747采用鈦合金緊固件后其重量減輕1814kg.鈦合金材料具有良好的正電位性能,能夠有效防止電偶腐蝕,同時(shí)鈦合金又具有良好的耐高溫、彈性以及無(wú)磁性,因此,在航空工業(yè)中被廣泛使用。

1、航空工業(yè)中鈦合金鉚釘類緊固件的應(yīng)用

對(duì)航空工業(yè)中的鉚釘來(lái)說(shuō),其材料的冷態(tài)塑性非常重要,是冷鉚接安裝的前提。鈦合金鉚釘通常被應(yīng)用于耐腐要求高且強(qiáng)度要求不高的部位,β型具有非常良好的冷加工性能,是航空鉚釘制造的上好材料,能夠滿足各方面的要求。

1.1 Ti-45Nb合金

TI-45Nb的伸長(zhǎng)率可達(dá)到20%以上,具有較好的可塑性和冷加工性能,其剪切和抗拉的強(qiáng)度都要優(yōu)于純鈦,而冷變形抗力又低于純鈦,是復(fù)合材料連接用鉚釘?shù)牟牧线x擇。在美國(guó)的航空工業(yè)中,Ti-45Nb已經(jīng)取代了純鈦來(lái)進(jìn)行鉚釘類緊固件的制造,得到了廠泛的應(yīng)用。在剪切強(qiáng)度要求高的部位,-般采用Ti- -6AI-4V釘桿和TI-45Nb頭部組成的雙金屬鈦臺(tái)金鉚釘,TI-45Nb 的可塑性和Ti-6A1-4V的高強(qiáng)度形成了組合,適用于各種飛機(jī)的鈦臺(tái)金構(gòu)件以及復(fù)合材料構(gòu)件的連接,不光減輕了重量,還降低了成本,近年來(lái)我國(guó)也對(duì)這種雙金屬鉚釘開(kāi)始大量使用。

1.2 TB2鈦合金

TB2鈦合金材料是我國(guó)航空工業(yè)對(duì)鈦合金材料緊固件研究的起點(diǎn)。在上世紀(jì)60年代,成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所提出了采用鈦臺(tái)金鉚釘?shù)脑O(shè)想,并于1970年開(kāi)始對(duì)TB2鈦合金鉚釘進(jìn)行研制,1979年終于完成了技術(shù)鑒定,并制定了暫行技術(shù)條件。TB2鈦合金是一種亞穩(wěn)定型β鈦臺(tái)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,目前被用于航天工業(yè)的各種冷鐓鉚釘和一些小規(guī)格螺栓的制造。上世紀(jì)80-90年代,我國(guó)相繼頒布了《鈦合金鉚釘》、《抗拉型鈦合金環(huán)槽鉚釘規(guī)范》以及《1000沉頭抗拉型鈦合金環(huán)槽鉚釘》等3部針對(duì)TB2鈦臺(tái)金鉚釘?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了相關(guān)使用技術(shù)規(guī)范。目前,TB2鈦合金材料的鉚釘因其優(yōu)越的性能特點(diǎn)已經(jīng)在我國(guó)的航空航天工業(yè)中被大量使用。

1.3 TB5鈦合金

TB5鈦合金屬于亞穩(wěn)定β型鈦合金,名義成分為T(mén)i-15V-3Cr-3Sn-3A1,是由美國(guó)空軍研究開(kāi)發(fā)YMET公司進(jìn)行生產(chǎn)的。TB5鈦合金具有與純鈦相當(dāng)?shù)睦涑尚涡阅?能夠在固溶狀態(tài)下進(jìn)行各種復(fù)雜零件的冷成形,并且具有優(yōu)異的室溫拉伸強(qiáng)度和抗腐蝕性,其缺點(diǎn)是抗氧化性能不足,只適用于低于200C的環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中,美國(guó)B1B轟炸機(jī)中TB5鈦合金的鉚釘類緊固件應(yīng)用較多,其次在波音飛機(jī)上的應(yīng)用也較為廣泛,我國(guó)對(duì)于TB5鈦合金材料也有一定的應(yīng)用,如衛(wèi)星發(fā)動(dòng)機(jī)部件、殲擊機(jī)平梁等。

2、航空工業(yè)中鈦合金螺栓類緊固件的應(yīng)用

鈦合金材料的螺栓是航空航天工業(yè)中使用多的,包括普通螺栓、高鎖螺栓和干涉型螺栓等。用來(lái)制造航空螺栓的鈦臺(tái)金材料對(duì)熱處理后抗拉以及剪切的強(qiáng)度要求較高。

2.1 TC4鈦合金

TC4鈦合金是美國(guó)于1954年研究并制造出來(lái)的,目前已經(jīng)被國(guó)際上廣泛使用,是使用率鈦合金,不光應(yīng)用于航空航天制造,在工業(yè)中也被普遍使用。如飛機(jī)的起落架、枉架、梁、緊固件、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、葉片等。TC4鈦合金具有高的工藝蛆性,可在400C的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。我國(guó)在1973年就開(kāi)始了對(duì)TC4的研究與應(yīng)用,如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等。

采用 TC4鈦臺(tái)金制造的螺栓于1956年被美國(guó)應(yīng)用于8-52轟炸機(jī)的制造中,其效果得到了認(rèn)可,并被其他國(guó)家廣泛使用,目前TC4鈦合金螺栓幾乎應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家所有的飛機(jī)制造中。但TC4也有一定的缺點(diǎn),如無(wú)法冷鐓成形,只能熱處理,加工工藝要求較高,對(duì)于此,我國(guó)研究出了TC4鈦合金固件熱鐓機(jī)床,并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。目前TC4鈦合金螺栓已經(jīng)被我國(guó)廣泛應(yīng)用于航天飛機(jī)、客機(jī)、衛(wèi)星等的制造中。

2.2 TC6鈦合金

TC6鈦合金是北京航空研究所研制出來(lái)的耐高溫緊固件材料,其能夠在500C的高溫中進(jìn)行工作,但其制造工藝要求有一-定的難度。TC6鈦合金是對(duì)前蘇聯(lián)BT3-1鈦合金的仿制,我國(guó)早于1979年應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造,然后對(duì)TC6鈦合金螺栓開(kāi)始了研制。TC6臺(tái)金屬于兩相鈦合金,綜合性能較好,可在退火狀態(tài)下使用,還能夠進(jìn)行- -些熱處理強(qiáng)化,具有較高的抗氧化和抗腐蝕的性能,可在500"C以下的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作,溫退火處理后的抗拉強(qiáng)度較高,達(dá)到980MPa以上,同時(shí)還具有優(yōu)異的延伸率、斷面收縮率等性能。

2.3 TB3鈦合金

TB3是我國(guó)于.上世紀(jì)70年代研制成功的,當(dāng)時(shí)在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的1100MPa鈦合金螺栓都是采用TC4鈦合金材料制造,而我國(guó)當(dāng)時(shí)的熱鐓技術(shù)并不成熟,無(wú)法采用TC4鈦合金進(jìn)行制造,所以就研制了可以直接冷鐓的1100MPa級(jí)鈦合金,也就是TB3鈦合金,該鈦合金屬于亞穩(wěn)定β型鈦合金,可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,在固溶處理狀態(tài)下具有較強(qiáng)的冷成形能力,“固溶+時(shí)效”處理后具有較高強(qiáng)度,可用于300C以下的1100MPa級(jí)高強(qiáng)度航空航天緊固件的制造中。我國(guó)于上世紀(jì)80年代開(kāi)始研制并形成技術(shù)規(guī)范,然后開(kāi)始投入制造高鎖螺栓和干涉型螺栓,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于100MPa螺栓的制造中。

3、結(jié)束語(yǔ)

隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展,鈦合金緊固件在航空航天制造中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,美國(guó)、俄羅斯等航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都已經(jīng)形成了鈦合金緊固件材料制造體系。我國(guó)對(duì)于鈦合金緊固件在航空制造中的應(yīng)用研究較晚,大部分都是對(duì)前蘇聯(lián)技術(shù)的改進(jìn)或仿制,應(yīng)用程度也相對(duì)較低,因此,須要加快我國(guó)航空緊固件鈦合金材料的應(yīng)用研究,為我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。