常見的航空鈦合金緊固件材料簡(jiǎn)介！
在航空領(lǐng)域，早在20世紀(jì)50年代，鈦合金Ti-6Al-4V緊固件被美國最早應(yīng)用于B-52轟炸機(jī)上，隨后如蘇聯(lián)、法國等航空發(fā)達(dá)國家，也緊跟著開始了自己的鈦合金緊固件研制與生產(chǎn)。
而我國起步較晚，在20世紀(jì)70十年代，有相關(guān)單位開始開展了鈦合金鉚釘?shù)难芯浚?0世紀(jì)80年代，有少量的鈦合金螺栓和鉚釘應(yīng)用于第二代軍用飛機(jī)上；
20世紀(jì)90年代后期，隨著我國引進(jìn)國外第三代重型戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)線和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)的自主制造，漸漸深入了對(duì)鈦合金緊固件的研究。
而近年來，我國航天事業(yè)大規(guī)模發(fā)展，各單位部門都開始了大量的鈦合金材料和工藝的研究，在航天航空領(lǐng)域，軍用和民用飛機(jī)上，鈦合金緊固件也都得到了大量的應(yīng)用，據(jù)相關(guān)資料，C919飛機(jī)需鈦合金緊固件約20萬件左右。
鈦存在兩種同素異構(gòu)形式a和b，鈦的密度?。?.51），強(qiáng)度質(zhì)量比高，熔點(diǎn)高，高溫下高強(qiáng)度質(zhì)量比能保持到550～600oC附近；
耐蝕性能較好，在室溫下能夠形成一層極好保護(hù)性能的鈍化層；低溫性能很好，在液氮溫度下也能保持良好的塑性和韌性；導(dǎo)熱系數(shù)與熱膨脹系數(shù)較低，使用時(shí)容易產(chǎn)生溫度梯度，不利于熱加工。
通常條件下，根據(jù)合金元素成分和常溫組織形貌將鈦合金大致分為三類：
a-鈦合金
顯微組織是a組織，含有a相穩(wěn)定元素和中性強(qiáng)化元素，例如Al元素，純鈦是典型的a鈦，典型的鈦合金有Ti-8Al-1Mo-1V
b-鈦合金
顯微組織是b組織，有大量的b相穩(wěn)定合金元素，如V、Ni、Mo等，其室溫強(qiáng)度可以達(dá)到a+b 鈦合金的水平，并且同時(shí)能夠擁有更優(yōu)秀的工藝性能，但是在高溫下，其性能更差。典型代表有TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al ）、TB5（Ti-15V - 3Cr-3Sn-3Al）等。
a+b 鈦合金
同時(shí)含有較多的a相和b相穩(wěn)定元素，具有a+b相混合組織結(jié)構(gòu)，經(jīng)過特殊熱處理后能夠達(dá)到很高的強(qiáng)度水平。目前航空領(lǐng)域使用最廣泛的就是a+b 鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）。
相較與常規(guī)緊固件，由于航空行業(yè)上緊固件服役環(huán)境的特殊性，對(duì)其各方面性能要求普遍更高。在航空行業(yè)中，為了提高飛機(jī)的能源使用效率，優(yōu)化機(jī)身架構(gòu)，減輕整體質(zhì)量，在各部件的材料的選擇上，都追求輕量化和高比強(qiáng)度。
其次，由于飛機(jī)在飛行過程中承擔(dān)的高風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于零部件質(zhì)量一致性、均勻性的要求極高。值得注意的是，服役過程中頻繁的交變應(yīng)力是導(dǎo)致零件失效的最主要原因，航天緊固件材料選用時(shí)對(duì)于疲勞性能的要求也特別高。
另外，服役過程中因?yàn)轱w行高度變化導(dǎo)致的溫度跨度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的高溫環(huán)境，相較于普通緊固件，航天緊固件一般要求更高的服役溫度。面臨諸多不利因素，鈦合金是在航天緊固件特別理想的結(jié)構(gòu)材料。
經(jīng)過國際上多年的發(fā)展，TC4（美國牌號(hào)：Ti-6Al-4V）是目前航天鈦合金緊固件使用最廣泛的材料，大約占所有鈦合金緊固件中的95%，也是我國鈦合金緊固件生產(chǎn)和研發(fā)的主要方向。
TC4（美國牌號(hào)：Ti-6AI-4V）
美、法于上世紀(jì)50年代開始鈦合金緊固的研發(fā)，Ti-6Al-4V最早美國應(yīng)用于B-52轟炸機(jī)，蘇聯(lián)應(yīng)用于伊爾76，替代了之前使用的30CrMnSiA鋼。
TC4是a+b兩相合金，密度低，強(qiáng)度和疲勞性能十分優(yōu)異，最高使用溫度300 oC～350 oC。到了21世紀(jì)，國外生產(chǎn)技術(shù)成熟，有了健全上下游產(chǎn)業(yè)鏈，質(zhì)量控制體系過關(guān)，符合航空緊固件對(duì)于均勻性和一致性的高要求，主要應(yīng)用在飛機(jī)的艙段、襟翼等重要結(jié)構(gòu)連接以及發(fā)動(dòng)機(jī)上。
TC4中要求各元素化學(xué)成分含量如下表所示：
表一 TC4各化學(xué)元素成分及含量
從組織形貌結(jié)構(gòu)上來看，同時(shí)含有較多的a相形成元素Al和第二類b穩(wěn)定元素，屬于a+b兩相合金。
在低于相變溫度下進(jìn)行熱處理會(huì)獲得晶粒尺寸、形狀不均勻的a+b兩相鈦合金，晶界上容易產(chǎn)生連續(xù)和不連續(xù)a相，晶界內(nèi)會(huì)有點(diǎn)狀、針狀、球狀a相存在。
一般來說，退火態(tài)的TC4是由初生a相和a+b相所組成的混合物，通過固溶時(shí)效處理，可以有效的消除或者減少連續(xù)a相晶界，從而提高材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
時(shí)效處理時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)b相的形成對(duì)疲勞強(qiáng)度的提升作用十分顯著。根據(jù)[9]表明，當(dāng)溫度低于a+b與b相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，隨著固溶溫度的提高，能夠獲得更多的等軸組織，而轉(zhuǎn)變組織占比減少。
當(dāng)溫度超過a+b與b相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，得到粗大的片狀組織、初始b晶粒，也有原始b晶粒轉(zhuǎn)變形成的長條狀交錯(cuò)組織，在晶界有著a相析出。
最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在時(shí)效溫度為500 oC的情況下，材料的抗拉強(qiáng)度隨著固溶溫度先升高后下降，在960oC左右能夠達(dá)到最高值1120MPa左右。
而材料的斷面收縮率在經(jīng)過固溶時(shí)效處理后只有略微提升，從退火態(tài)時(shí)的12%提升到了14%。材料的沖擊韌性則隨著固溶溫度的提高而單調(diào)略微下降。
1、提純混合
將回收重復(fù)利用的鈦屑分解成碎片，再通過堿洗、水洗、磁吸等工藝將混料中的油污以及鐵屑等雜質(zhì)去除。在這過程中，不需要有一道嚴(yán)格執(zhí)行的回收控制程序來保證回收利用的鈦的一致性。
2、熔煉控制
包括了多次熔煉步驟，主要分為兩類，EB（電子束）熔煉和VAR爐（真空電弧自耗爐）熔煉。EB爐熔煉時(shí)，大量取樣進(jìn)行成分分析，能夠嚴(yán)格控制原料的化學(xué)成分。VAR爐能有效去除鈦錠中的雜質(zhì)和氣體。
3、軋制階段
第一步是進(jìn)行大規(guī)格的鈦錠軋制，在通過感應(yīng)加熱至相變點(diǎn)后先軋成方形棒材，再軋成的圓形棒材。第二步軋制是將的圓棒直接軋制到的圓盤，然后校直定型切斷。
4、絲材加工
經(jīng)過退火處理后的軋制圓盤料通過旋轉(zhuǎn)車削、拋光、冷拉、卷盤工藝，最終制成盤元。過程中進(jìn)行電子渦流探傷，標(biāo)記有裂紋部分，方便后續(xù)去除。
5、表面潤滑
目的是為了滿足后續(xù)鐓鍛工藝的的成型要求，減小材料與磨具表面的摩擦力。表面潤滑工藝往往容易忽視，但是對(duì)后續(xù)緊固件加工階段影響很大，潤滑層的質(zhì)量需要嚴(yán)格管控，最關(guān)鍵的兩個(gè)性能參數(shù)是粘結(jié)力、厚度。
由于TC4的室溫塑性較差，若使用冷鐓成型，材料十分容易開裂，報(bào)廢率極高。而在高溫下，TC4鈦合金材料塑性較好，TC4鈦合金緊固件的成型加工過程需要通過高頻感應(yīng)加熱至650 oC～800 oC之間進(jìn)行溫鐓成型。
但是，溫鐓過程中材料對(duì)于溫度的變化十分敏感，若溫度低于650 oC，材料的成形能力不足以滿足生產(chǎn)必須形變量，在零件的頭部、法蘭面等部位容易出現(xiàn)材料開裂。若溫度高于800 oC，則會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，內(nèi)部組織發(fā)生變化，影響后續(xù)熱處理性能。
另外，TC4盤元線材硬度也較常規(guī)冷鐓用退火狀態(tài)的低碳鋼高很多，在生產(chǎn)過程中若工業(yè)設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易縮短模具壽命，增加質(zhì)量控制的難度。
比如，容易對(duì)磨具表面造成損傷，影響產(chǎn)品表面尺寸和質(zhì)量，一般通過特定的表面潤滑和合理的公差設(shè)計(jì)來解決。另外，沖模成型時(shí)所需要的沖壓更大，容易給模具造成疲勞損傷，影響模具的使用壽命。
另外，每一道工序?qū)η暗拦ば虍a(chǎn)品的質(zhì)量要求也十分嚴(yán)格，若在某一道工序生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不合格并且沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而進(jìn)入下一道工序，很容易損害機(jī)器設(shè)備并且造成大批量的報(bào)廢，需要一個(gè)周全、緊密、完善、嚴(yán)格的閉環(huán)管理控制體系保障整體生產(chǎn)線的運(yùn)行。
總體上來看，極高的質(zhì)量要求必然提高生產(chǎn)成本，包括質(zhì)量管理成本、研發(fā)成本、設(shè)備成本等在內(nèi)，TC4鈦合金航天緊固件的較普通碳鋼緊固件高2～3倍。如何合理、科學(xué)的縮減成本也是未來鈦合金緊固件研發(fā)的一大方向。
TC16（俄羅斯牌號(hào)BT16）
TC16也是a+b兩相合金，在有著高強(qiáng)度的同時(shí)，也有良好的常溫塑性以及淬透性，疲勞和焊接性能好，應(yīng)力集中敏感性小，經(jīng)固溶時(shí)效處理之后強(qiáng)度可達(dá)1030MPa以上，能夠在室溫下冷鐓連續(xù)生產(chǎn)，極大提高了生產(chǎn)效率。
TC16最早由俄羅斯研制而出，在長期的使用過程中，對(duì)其成分控制、加工工藝、成型方式三者之間的配合控制，有著十分豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且使用了氫處理技術(shù)使得能夠使用冷鐓工藝完成產(chǎn)品的成型過程。
已經(jīng)在俄羅斯得到了大規(guī)模使用，并且?guī)资陜?nèi)沒有出現(xiàn)過任何質(zhì)量事故，目前在我國國內(nèi)僅僅在軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，尚未普及至民用。
TC16是一種富b相馬氏體a+b兩相合金，也被能被定義為Ti-3Al-5Mo-4.5V。和TC4一樣Al元素提高了b相轉(zhuǎn)變溫度，增強(qiáng)了固溶強(qiáng)化效果。
Mo、V等元素穩(wěn)定b相，提高了材料的強(qiáng)度和硬度。退火處理后TC16材料能夠保持良好的塑性和剪切應(yīng)力，保證冷鐓生產(chǎn)的進(jìn)行。
而根據(jù)我國有關(guān)科研人員研究文獻(xiàn)表明，TC16線材在分別經(jīng)過冷鐓和熱鐓成型后，再固溶時(shí)效熱處理，得到的產(chǎn)品組織和硬度值都十分接近，這是因?yàn)闊崽幚磉^程中能夠消除之前成型過程中因?yàn)閼?yīng)力和溫度帶來的組織差異。
而冷鐓較熱鐓所得產(chǎn)品成本較低，表面質(zhì)量較好，因此對(duì)于TC16，冷鐓成型是一個(gè)十分理想的工藝。
TB2鈦合金
TB2鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，合金名義成分為Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。在固溶狀態(tài)下，TB2鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能。
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以及螺栓，尤其是TB2鈦合金鉚釘已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用。
TB3鈦合金
TB3鈦合金[4]是一種可熱處理強(qiáng)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(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能，其冷鐓比可達(dá)2.8，合金固溶時(shí)效后可獲得較高的強(qiáng)度，主要用于制造1100MPa級(jí)高強(qiáng)度航空航天緊固件。
TB5鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，其名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。TB5鈦合金有優(yōu)異的冷成形性能，可以與純鈦的冷成形能力媲美。固溶后，可進(jìn)行多種緊固件的冷成形;時(shí)效后室溫抗。
拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa。波音公司已經(jīng)將TB5鈦合金緊固件應(yīng)用在波音飛機(jī)上，我國也采用TB5鈦合金制造與殲擊機(jī)傘梁和衛(wèi)星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘。
TB8鈦合金
TB8鈦合金是一種亞穩(wěn)定β21S鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。這種鈦合金具有優(yōu)異的冷熱加工性能、淬透性好，同時(shí)具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗腐蝕性能。
由于該合金采用了高熔點(diǎn)、自擴(kuò)散系數(shù)小的同晶型β穩(wěn)定元素Mo和Nb，所以TB8鈦合金具有較高的高溫抗氧化性能，其抗氧化性能比Ti-15-3合金高100倍，具體數(shù)據(jù)見下表。目前，TB8鈦合金高強(qiáng)螺栓已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國航空領(lǐng)域重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品上。
TB8與Ti-15-3鈦合金氧化數(shù)據(jù)比較
Ti-45Nb合金
Ti-45Nb合金屬于一種穩(wěn)定β型鈦合金，是一種鉚釘專用鈦合金材料。最初，鉚釘用鈦合金材料主要以純鈦為主，但是純鈦緊固件強(qiáng)度太低，在一些高承載部位，純鈦緊固件無法滿足要求，所以急需一種塑性接近于純鈦，而強(qiáng)度高于純鈦的鈦合金材料，常用的亞穩(wěn)定β型鈦合金變形抗力大，室溫塑性與純鈦相差較大。
后來，人們研制出了Ti-45Nb合金，這種合金室溫塑性高，室溫伸長率可達(dá)20%，斷面收縮率高達(dá)60%，冷加工能力十分優(yōu)異。與純鈦相比，Ti-45Nb合金具有較高的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，分別達(dá)到450MPa和350MPa。
