鈦合金材料在我國航空緊固件中的運用初探

陳震遠 葉飛 洪紅蓮 孫閃 王智慧

摘 要：隨著近年來我國航空工業的技術水平不斷提高，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發展的必經階段。基于此，本文簡述了我國航空緊固件材料使用鈦合金材料的優勢，同時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用特點，希望對我國航空工業的發展提供一定幫助。

關鍵詞：鈦合金材料;航空緊固件;運用

前言：緊固件作為工業發展中十分重要的基礎構件，自上世紀50年代以來，各國的航空工業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，且其彈性和強度都符合航空行業的相關材料要求，因此其受到航空工業方面有關人員的高度重視，成為航空行業研究的重點方向。

1.鈦合金材料在航空緊固件的應用優勢

在航空工業中將鋼鐵材料緊固件和鈦合金材料緊固件進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優勢：第一，鈦合金材料的磁導率較小，鈦合金材料緊固件屬于無磁緊固件，磁場對其產生的干擾情況可以忽略不計，同樣為無磁材料的奧氏體不銹鋼在經過冷處理后會產生一定的磁性，而鈦合金材料不管經過冷加工還是熱加工，其磁性均不會發生改變，因此，在航空工業中使用鈦合金材料具有明顯的優勢。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，其質量更小。第三，經過試驗證明，鈦合金材料的熔點比鋼鐵材料更高，鈦合金材料的耐高溫性質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的臨界強度為緊固件的屈服強度，抗拉強度緊隨其后，緊固件出現屈服形變后，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度和抗拉強度相近，其較高的屈服強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度較高的材料，其可以和輕質鋁合金進行替代。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，鈦合金的優勢更為明顯，且空間的充分利用在航空工業發展方面有著十分重要的意義。對于我國航空工業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展時間較短，缺少顯著特征。同時，在航空工業中，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用分析

2.1鉚釘緊固件中鈦合金材料的應用

航空工業中使用的鉚釘緊固件需要冷態塑性較高的材料，這是保障冷鉚釘安裝工作的重要保障。通常而言，鈦合金材質的鉚釘緊固件的耐腐蝕性能較強，可以進行一定冷加工處理，是滿足航空工業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，其伸長率可以達到20%以上，同時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。當前美國的航空領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度要求較高的部位，Ti-45Hb材料制造的鉚釘都能輕松負擔，在降低航空器整體質量以及制造成本方面表現出色。

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行技術分析可知，其材料屬于β鈦合金中的亞穩定型，固溶條件下，其具有一定冷成型性能，同時其焊接性能較好，可以用來生產小規格的航空鉚釘緊固件。現階段我國已經將TB2材料的使用技術標準進行規定，并大范圍的應用于航空緊固件的制造中，在保障航空緊固件質量的基礎上，對我國航空緊固件的制造工藝進行了有效改善。

TB5材料同樣屬于β鈦合金中的亞穩定型，此材料由美國空軍進行的研發工作，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行復雜零部件的冷成型操作。同時，TB5材料具有一定的抗腐蝕性能和拉伸強度，但是由于其在實際應用階段存在抗氧化性能較差的情況，暫時只適用在200℃以內的環境中的部件制造，TB5材料在200℃以內的環境中可以保障制造出的鉚釘強度、性能和質量符合航空工業緊固件使用標準，因此TB5材料的應用價值較高[1]。

2.2螺栓緊固件中鈦合金材料的應用

航空工業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度和應用性能均優于純鈦材料的螺栓緊固件，實際應用效果更佳。常用于制造航空工業螺栓緊固件的鈦合金材料為：TC4材料，TC6材料以及TB5材料。

TC4材料是美國上世紀中期研發制造的合金材料，該材料在當前國際中應用范圍和使用概率較高，在制造飛機起落架、航空器緊固件以及飛行器葉片制造等領域被廣泛使用。同時，TC4材料的工藝塑性較高，其制造構件可以在400℃狀態下長時間的運行。現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度方面有著明顯的促進作用，對我國的航空緊固件生產制造現狀起到了明顯的改善。

TC6材料是我國近年來開始應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，可以在500℃的環境下長時間運行。使用TC6材料的制造工藝技術較高，以此才能保證緊固件在使用時的效果。TC6材料的實際應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使用，同時還能通過對材料的熱處理進行有效的強化，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鈦合金中的亞穩定型，其在熱處理強化和固溶狀態冷成型后的性能更強。在實際生產中TB5材料可以通過固溶和時效的方式進行處理，以此增強螺栓緊固件的強度，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]。

結束語：綜上所述，經過分析可知，在航空工業中，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，隨著航空工業的不斷發展，業內人員應將研發強度更高，延展性更好，疲勞性更強，斷裂韌性更高的鈦合金材料作為航空事業發展的重要課題，為我國航空工業的發展打下堅實的基礎。

參考文獻：

[1]李蒙，鳳偉中，關蕾，王新，張永強，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展現狀[J].航空制造技術，2018，61（04）：86-91.