文章编号：1004-0609(2010)S1-s1021-03
航空紧固件用钛合金的研究进展
赵庆云1, 徐 锋2
(1. 北京航空制造工程研究所，北京100024；2. 宝钢股份 特钢事业部，上海 200940)
摘 要：分析航空紧固件用钛合金材料的应用概况、材料特性和紧固件加工制造特点，研究了新近开发的高强钛合金材料及所加工的紧固件性能特点。
关键词：钛合金；航空紧固件；高强度
中图分类号：TF 804.3 文献标志码：A
Research progress of titanium alloy for aerospace fasteners
ZHAO Qing-yun1, XU Feng2
(1. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China;
2. Special Steel Business Unit, Baoshan Iron & Steel Co., LTD., Shanghai 200940, China)
Abstract: The application status, materials characteristics and manufacturing technology of titanium alloy for aerospace fasteners were studied. Emphasis was made on newly developed high-strength titanium fasteners and material characteristics.
Key words: titanium alloy; aerospace fastener; high-strength
由于航空产品工作环境的特殊性以及高可靠性的要求，对紧固件产品也提出更高的性能要求。因此，通常在进行航空紧固件的材料选择时，需要考虑下面一些因素：最大和最小工作温度，环境的腐蚀性，不同材料间的电偶腐蚀，疲劳和冲击载荷等。另外，还需要考虑如何在公开市场上获得这些材料。
钛及其合金由于具有密度小(4.51 g/cm3)、强度 高、比强度大，且使用温度范围广(-212.22～426.66 ℃)、抗疲劳性能(疲劳极限是钢的两倍)优异等特点，故非常适合在飞机等高速飞行器上使用。因为钛合金与复合材料的电极电位相近，所以钛合金紧固件成为复合材料的主要连接材料。另外，钛合金比合金钢更耐腐蚀，在许多应用环境，不需要保护涂层。因此，钛及其合金也是生产极具发展潜力、应用于“重腐蚀或恶劣环境”下的紧固件材料[1-3]。
应用钛合金紧固件产生的减重效果，对提高飞机的推进力、增加射程、节省燃料、减少费用等都将产生巨大的效应。因此，在美国军民用飞机上,钛合金紧固件已基本取代了合金钢紧固件。在现代飞机制造中，一架飞机所用的连接紧固件少则几十万件，多则几百万件，钛合金紧固件占其中螺纹紧固件的比例高达90%。钛合金紧固件已成为当今最重要的航空紧固件品种。随着先进军民用飞机钛合金和复合材料用量的不断增加，对钛合金紧固件的需求也日益加大[1-3]。
目前，航空钛合金紧固件使用较多的原材料有Ti-6Al-4V、BT16和TC6等。随着航空工业的发展，各种适合制作新型钛合金紧固件的原材料还将不断涌现。
1 1 100 MPa强度等级钛合金
1.1 Ti-6Al-4V
大多数钛合金紧固件由Ti-6-4(国内牌号TC4)制造。TC4不能通过冷镦成形，只能热镦成形，时效后的强度可达1 100 MPa以上，常用于制造螺栓、螺钉、环槽铆钉等，在400 ℃以下使用。
目前，TC4螺栓在国内飞机、发动机和机载设备上的应用越来越多，加工的紧固件主要有钛螺栓、钛高锁螺栓、大底脚单面螺纹抽钉等，头型有 90?、 100?、120?沉头、半圆头等。
中航工业北京航空制造工程研究所已有近30年的钛紧固件研发制造历史，解决了诸多钛紧固件研制生产的关键工艺技术，已研制、开发了多种钛合金紧固件，并得以应用。图1所示为该所加工的直径4～18 mmTC4钛紧固件产品。
图1 北京航空制造工程研究所采用Ti-6-4所加工的紧固件
Fig.1 Ti-6-4 fasteners manufactured by Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
1.2 BT16
另一个在航空紧固件上得到普遍应用的钛合金是俄罗斯的BT16合金(国内牌号TC16)，固溶状态下具有很好的塑性及极好的冷镦性能,镦锻比可达1:4，时效处理后的强度可达1 030 MPa以上。因此，TC16通常冷镦成形而不用热处理，采用冷变硬化方法加工紧固件，极大地提高了生产效率。
TC16制造的螺栓、螺钉和自锁螺母也得到了应用，所加工螺栓头型有六角头、小六角头、90?沉头、120?半沉头、扁圆头等。
1.3 TC6
近年来, 为满足航空发动机高温使用要求，北京航空制造工程研究所研制出了可耐500 ℃以下高温的TC6(俄罗斯材料BT3-1)钛紧固件，与TC4 钛紧固件比，这种材料对温度具有较高的敏感性，其制造更困难[4]。
2 高强钛合金
尽管Ti-64是近50年来航空紧固件使用最普遍的钛合金，但是，Ti-6-4在紧固件使用上有2个方面的限制因素：1) 强度限制，抗拉强度最高1 100 MPa (160 ksi)；2) 尺寸限制，最大使用尺寸约19 mm(0.75in)。
由于在静动态性能方面很难取得平衡，钛合金在主承力结构所要求的紧固件性能(见表1)上难以得到广泛应用。同时，减少合金钢和防锈钢的镉镀层的需求，结合Ti-6-4固有的淬透性的限制，引发了一些公司开发其他钛合金的兴趣。这样，用于替代Ti-6-4的高强钛合金的开发工作就开展起来。
表1 高强航空紧固件的性能要求
Table 1 Properties requirement of high-strength aerospace fasteners
2.1 Timetal 555
过去的几年里，美铝公司评估了许多新开发的用于高强紧固件的钛合金的能力。最近，美铝公司成功地开发了使用Timetal555材料的高强紧固件(Ti555是Timet开发的近β钛合金)，这种紧固件采用传统的紧固件生产工艺加工而成，如图2所示。详细的质量检测，包括非破坏性试验、力学性能试验、冶金性能试验，显示了新开发的Ti-555紧固件具有优良的性能，满足或超过典型的1 250 MPa镀镉合金钢紧固件规范的要求。其力学性能评估结果如表2所列[5]。
2.2 SPS TITANTM761
SPS航空紧固件集团自1903年以来一直是高强
图2 采用Timetal555所加工的Ti555紧固件照片
Fig.2 Photo of Ti-555 fasteners manufactured by Timetal 555
表2 Ti-555紧固件的力学性能
Table 2 Mechanical properties of Ti-555 fasteners
紧固件的主要制造商，其采用特殊加工工艺研制的SPS TITANTM761钛合金，克服了其他钛合金在制造紧固件的尺寸和强度方面的限制，所加工的Aerlite160钛合金螺栓尺寸从19.05 mm到28.575 mm，满足钛螺栓规范NAS621，NAS4004，AS7460和AS7461的要求，在整个尺寸范围内抗拉强度都可达1 100 MPa，剪切强度达到655 MPa，并且具有良好的疲劳性能，这种尺寸Ti-6-4合金是不可能达到的。这为由于尺寸限制而不得不从钛合金转向较重的钢或防锈钢的设计者们提供了新的材料选择。采用SPS TITANTM761钛合金所加工的另一个紧固件产品Aerlite180，其抗拉强度可达1 240 MPa、剪切强度可达745 MPa，直径达25.4 mm，显示出许多合金钢和耐蚀合金紧固件的强度水平，同时，可节省40%的质量[6-7]。表3所列为Aerlite紧固件的力学性能，图3所示为 采用SPS TITANTM761钛合金所加工的Aerlite紧固件照片。
表3 Aerlite紧固件的力学性能
Table 3 Mechanical properties of Aerlite fasteners
图3 采用SPS TITANTM761钛合金所加工Aerlite紧固件照片
Fig.3 Photo of erlite fasteners manufactured by SPS TITANTM761
3 结语
通过航空紧固件钛合金的使用情况可以看出，航空紧固件材料应具备足够的强度与塑性、耐蚀性、抗疲劳等性能，随着先进飞机上的复合材料和钛合金的用量的增加，以及高强钛合金的研发成功，钛合金紧固件将得到更大的应用，在保证强度性能的同时，对飞机质量的减轻具有积极的意义。
REFERENCES
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ZHAO Qing-yun, LIU Feng-lei, LIU Hua-dong. Development of advanced aerospace fastener [J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(3): 54-56.
[7] SPS Technologies. SPS technologies offers TITAN titanium fasters with 1608.180 ksi tensile strength [EB/OL]. [2005-07- 22]. http://www.spstech.com
(编辑 刘华森)
通信作者：赵庆云; 电话: 010-85701102; E-mail: maggie_zhaoqyb@hotmail.com
