淺析超聲速飛行器緊固件的選用方法

陳龍，馬俊飛，閆景玉，王再玉，金佳超

（中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

淺析超聲速飛行器緊固件的選用方法

陳龍，馬俊飛，閆景玉，王再玉，金佳超

（中航工業(yè)洪都，江西南昌，330024）

隨著超聲速飛行器飛行馬赫數(shù)的不斷提高，以及鈦合金材料在飛行器結(jié)構(gòu)中的使用比重日益增加，傳統(tǒng)合金結(jié)構(gòu)鋼緊固件已經(jīng)無法滿足使用要求，本文從高溫?zé)崤蛎浐碗娕几g兩個(gè)方面，對(duì)緊固件選用合理性進(jìn)行分析，可為高溫環(huán)境下緊固件的選用提供參考。

超聲速；緊固件；鈦合金；預(yù)緊力；電偶腐蝕

0 引言

隨著超聲速飛行器飛行速度不斷提高，其結(jié)構(gòu)材料的選型也逐漸趨向于輕量化，使輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的材料，得到了更廣泛的研究和應(yīng)用。而鈦及鈦合金的密度小,又具有高的熱強(qiáng)性和持久強(qiáng)度，對(duì)在振動(dòng)載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴(kuò)展的敏感性低，并且有良好的耐蝕性，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)及殼體結(jié)構(gòu)中優(yōu)先采用高強(qiáng)度的鈦及鈦合金[1-2]。

針對(duì)結(jié)構(gòu)材料的變化，傳統(tǒng)合金鋼材料緊固件已經(jīng)無法滿足超聲速飛行器國內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需要，本文從熱膨脹和電偶腐蝕兩方面，分析不同基體、夾層材料如何選擇合適材料的緊固件。

1 熱膨脹對(duì)螺紋連接的影響

對(duì)于螺釘、螺栓、螺樁，在受到工作載荷之前，為了增強(qiáng)連接的可靠性和緊密性，以防止受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對(duì)滑移而預(yù)先加的軸向拉力，稱為預(yù)緊力。本質(zhì)是由于螺釘、螺栓、螺樁拉伸彈性變形產(chǎn)生的應(yīng)力[1]。

由于超音速飛行器國內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表面工作溫度高，普遍超過300℃，因此，夾層、基體、螺釘都會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，如果三個(gè)部分使用的材料不同，那么由于熱膨脹系數(shù)不同，升高相同的溫度，沿螺釘軸向的伸長量也會(huì)不同，影響到產(chǎn)生預(yù)緊力的應(yīng)變的大小，從而影響預(yù)緊力的大小。

圖1為典型螺釘連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)夾層1與緊固件為異種材料時(shí)，由于兩者熱膨脹系數(shù)不同，將導(dǎo)致緊固件在工作溫度下預(yù)緊力發(fā)生改變，甚至失效。

根據(jù)圖1，設(shè)夾層1、夾層2、緊固件的平均線膨脹系數(shù)分別為α1、α2、α3，緊固件的彈性模量為E3。當(dāng)溫度升高，夾層、螺釘均會(huì)發(fā)生熱膨脹，對(duì)圖所示結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行軸向受力分析如下。

在非工作狀態(tài)下，圖示結(jié)構(gòu)僅受初始預(yù)緊力的作用，設(shè)為F0。設(shè)預(yù)緊力導(dǎo)致的螺栓軸向伸長量為Δl0，螺紋應(yīng)力面積為AS（見表1），則有：

圖1 螺釘、螺栓連接結(jié)構(gòu)示意圖

表1 粗牙螺紋螺栓（螺釘、螺樁）的應(yīng)力截面積

表2 常用金屬材料線膨脹系數(shù)

由于F0為拉力，因此設(shè)伸長為正，壓縮為負(fù)。設(shè)當(dāng)溫度升高Δt℃，夾層1、夾層2、緊固件的膨脹量分別為Δl1、Δl2、Δl3，則有：

由于溫度升高造成的螺釘相對(duì)伸長量為：

則造成的預(yù)緊力變化量為：

則升溫后預(yù)緊力變?yōu)椋?/p>

對(duì)于額外增加防松處理（如打保險(xiǎn)）的緊固件，其最小預(yù)緊力保證大于0即可。

對(duì)于未增加防松處理的緊固件，預(yù)緊力的大小根據(jù)螺栓組受力和連接的工作要求決定。一般情況下，規(guī)定擰緊緊固件的預(yù)緊應(yīng)力不大于其屈服強(qiáng)度σS的80%[3]。

下面對(duì)不同材料連接結(jié)構(gòu)各取一種典型情況進(jìn)行分析。

表3 典型連接形式

對(duì)表3中4組連接形式，分別選取緊固件直徑為M6，材料分別為30CrMnSiA、Ti-6A1-4V進(jìn)行分析。典型工作溫度取400℃。線膨脹系數(shù)等如下表4。

表4 相關(guān)參數(shù)

根據(jù)計(jì)算可得：

從表5可以看出，當(dāng)夾層與緊固件均為同種材料時(shí)，由于材料線膨脹系數(shù)一致，因此不會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力的變化。但是，當(dāng)夾層與緊固件為異種材料時(shí)，預(yù)緊力都發(fā)生了不同程度的變化。尤其是1中預(yù)緊力減少了5098N，變化率達(dá)到-38.6%，預(yù)緊力損失嚴(yán)重。

當(dāng)緊固件材料的線膨脹系數(shù)大于夾層的線膨脹系數(shù)時(shí)，尤其要注意預(yù)緊力的損失可能會(huì)造成高溫工作環(huán)境下緊固件的失效。當(dāng)夾層材料不一致時(shí)，要充分分析不同線膨脹系數(shù)材料的緊固件的影響，選擇最優(yōu)的緊固件材料。

表5 高溫條件預(yù)緊力變化量（400℃）

2 電偶腐蝕對(duì)螺紋連接的影響

由于鈦合金的電位較正，當(dāng)它與其他金屬連接組成組合件時(shí)，鈦合金會(huì)引起與之接觸的其他金屬材料的電偶腐蝕，也稱為接觸腐蝕[4]。以Ti-6A1-4V鈦合金為例，Ti-6A1-4V鈦合金與結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸腐蝕，降低強(qiáng)度，具體性能變化見表6。

表6 Ti-6A1-4V與結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金接觸腐蝕性能變化

從表6可以看出，當(dāng)30CrMnSiA緊固件與Ti-6A1-4V鈦合金接觸時(shí)，如果不采用防護(hù)處理，5個(gè)月強(qiáng)度損失高達(dá)92%；采用航空常用的氰化鍍鋅鈍化處理，5個(gè)月強(qiáng)度損失依然高達(dá)10.2。

因此當(dāng)30CrMnSiA螺栓遇到與TI-6A1-4V接觸的情況，會(huì)給飛行器的正常工作帶來強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

緊固件的選擇不但需要考慮熱連接的匹配性，在高溫工作環(huán)境中，當(dāng)緊固件材料的線膨脹系數(shù)高于夾層材料線膨脹系數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致緊固件的實(shí)際預(yù)緊力下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成緊固件的防松失效；當(dāng)緊固件材料的線膨脹系數(shù)低于夾層材料的線膨脹系數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致緊固件預(yù)緊力增加，當(dāng)緊固件實(shí)際預(yù)緊應(yīng)力與其最大工作載荷應(yīng)力之和超過緊固件的屈服極限時(shí)，緊固件將失效。

在選擇緊固件時(shí)，要充分考慮其與基體材料間的電位差，選擇合適的材料才能避免電偶腐蝕的發(fā)生，另外也可以通過選擇合適的螺紋涂層及表面處理工藝，限制緊固件的電偶腐蝕。

[1]胡濤,等.巡航飛行器國內(nèi)某技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)[J].航空兵器,2002,(3):42-44.

[2]趙樹萍,等.鈦合金在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2002,(6):18-21.

[3]徐灝,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第3卷[M].第1版.北京:機(jī)械工程出版社,1995:45.

[4]張睿,等.鈦及其合金的腐蝕[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2013(8):96-103.

>>>作者簡介

陳龍，男，1988年出生，2011年畢業(yè)于廈門大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Brief Analysis on Selection of Fasteners for Supersonic Vehicle

Chen Long,Ma Junfei,Yan Jingyu,Wang Zaiyu,Jin Jiachao

（AVIC-HONGDU,Nanchang,Jianxi,330024）

With the increasement of Mach number of supersonic vehicle and the increasing proportion of titanium alloy in vehicle structure,the fastener made of traditional alloy structural steel is unable to meet the operational requirement any more.This paper analyzes the reasonability of fastener selection from two aspects,i.e.Thermal expansion under high temperature and thermocouple corrosion,for the reference of fastener selection under high temperature.

Supersonic;Fastener;Titanium alloy;Pretension force;

2016-10-08）