钛合金材料在中国航空紧固件中的应用

钛合金作为一种新兴的结构材料，因其优异的耐腐蚀性、高比强度、无磁性等特点，在 20 世纪中叶出现并发展起来。一系列优点在航空航天等高端工业领域得到了广泛应用。20 世纪 50 年代，美国开始使用钛合金材料制造航空紧固件，我国在 20 世纪 80 年代开始使用钛合金材料制造少量工程航空航天紧固件；进入 21 世纪后、 与中国航空航天工业制造技术的整体水平、 航空 钛合金材料制成的紧固件及其加工和制造技术获得了系统化和专业化的发展。

钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等突出优点，是现代航空航天工业中大有可为的金属结构材料。自 20 世纪 50 年代以来，美国首次将 Ti-6Al-4V 钛合金螺栓 在 B-52 轰炸机上使用取得了很好的减重效果；航空工业发达国家相继推出了 钛合金紧固件 研究和工程应用。钛合金紧固件代替了大部分强度比钢低的紧固件，在飞机减重方面取得了非常显著的效果。如波音 747 飞机用钛合金紧固件代替钢材，其结构质量减轻了 1814kg；俄罗斯的伊尔-96 飞机，用了 14.2 万件钛合金紧固件，钢材减重达 600kg；图 204 飞机用了 940kg BT16 钛合金紧固件，钢材减重 688kg。钛合金的积极潜在性能与碳纤维复合材料相同，与钛合金紧固件的强度相匹配。钛合金的正电位性能与碳纤维复合材料相匹配，可有效防止紧固件的电化学腐蚀，使钛合金成为复合材料的最佳连接材料。因此，随着钛合金和复合材料在先进军用和民用飞机上的使用量不断增加，钛合金紧固件的需求量也在不断增加。铝合金的使用温度高于 150-200 ℃；对于飞机结构而言，由于工作温度高而无法使用铝合金紧固件的部件，钛合金将是更好的选择。此外，钛合金固有的良好弹性和无磁性对防止紧固螺栓松动、抗磁干扰也有非常重要的作用。
在美国军用和民用飞机上，钛合金紧固件已取代合金钢紧固件。国外钛合金紧固件的应用已十分普遍，大型民用飞机的钛合金紧固件用量已达数十万件，同时各种新型钛合金紧固件也在不断开发中。我国钛合金紧固件的研制历史可以追溯到 1965 年；成都飞机设计研究所根据新型飞机的需要，提出研制钛合金铆钉，20 世纪 70 年代有关单位对钛合金铆钉的研究和应用工作，20 世纪 80 年代在我国一些第二代军用飞机上开始少量使用钛合金铆钉、螺栓等紧固件。20 世纪 90 年代末，随着国外第三代重型战斗机生产线的投产而出现了钛合金铆钉、螺栓等紧固件。20 世纪 90 年代后期，随着国外第三代重型战斗机生产线的引进和国产第三代战斗机的研制，以及许多航空转包生产企业的发展，我国航空工业开始使用一些钛合金紧固件。近年来随着我国航空工业的发展，国内相关单位有针对性地开展了大量基础材料和紧固件制造技术的研发工作，目前我国自主研发和生产的钛合金紧固件已经在我国改装飞机和新设计的飞机上获得了大量的工程应用。

1. 钛合金材料 用于铆接紧固件

紧固件 航空航天工业中常用的紧固件主要包括铆钉、螺栓和特殊紧固件 3 大类。对于铆钉来说，最重要的是材料的冷塑性；只有材料的冷塑性好制造的铆钉才能进行冷铆安装。通常，对强度要求不太高，而对零件耐腐蚀性要求较高的钛合金铆钉，由于β型钛合金的固溶态为单一的β晶粒，又因为它具有体心立方排列的原子结构所以这类合金具有非常优异的冷加工性能，非常适合制造钛合金铆钉。

1.1 TB2 钛合金

我国钛合金紧固件的发展是以TB2钛合金铆钉为发展起点的。1965 年，成都飞机设计研究所在研制新型飞机时，计划在机身钛合金结构件中使用钛合金铆钉，并提出了论证和设计方案。1970年，在天津冶金局材料研究所和有色金属研究所的配合下，成都飞机设计研究所和成都飞机公司共同开始了TB2钛合金铆钉的研制和应用研究，先后完成了TB2钛合金材料的研制、线材和铆钉的冷镦研究、铆接试验研究等工作，并于1979年完成了有关技术鉴定工作，制定了暂行技术条件。TB2钛合金是亚稳β钛合金，合金名义成分为Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。该合金在固溶处理状态下具有优良的冷成形性能和焊接性能；我国主要用于制造卫星波纹壳、星形和箭形连接带以及各种冷镦铆钉，有时也用于制造小型螺栓。制造航空紧固件时，其使用温度一般在 300 ℃ 以下；航天紧固件可在短时间内使用到 500 ℃。
1986年我国颁布了第一部钛合金紧固件专用标准GJB120-1986《钛合金铆钉》，1990年我国颁布了第二、三部钛合金紧固件专用技术标准GJB856-90《拉伸钛合金环槽铆钉规范》和GJB857.1-90《100°沉头拉伸钛合金环槽铆钉》，这三个标准都是TB2钛合金铆钉的专用技术标准，对TB2铆钉的各类规格进行了明确规范，为其工程化批量生产和应用提供了标准依据。TB2制造的钛合金铆钉已在我国航空航天工业的多个型号中获得了大量应用；同时，在航空型号中，产品也获得了一定数量的应用，并取得了良好的效果。

1.2 TB5 钛合金

TB5 钛合金是一种亚稳 β 型钛合金，其名义成分为 Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。该合金最初由美国空军资助开发，洛克希德-马丁公司确定成分，TIMET 公司进行规模生产。该合金具有优异的冷成形性能，其冷成形能力与纯钛相当，可在固溶状态下进行各种复杂零件的冷成形（如铆钉的铆接），时效室温抗拉强度可达 1000MPa 以上，该合金由于其 V 元素含量较高，抗氧化性能较差，一般在 200℃以下的工作环境中使用，但该合金具有优异的耐腐蚀性能。
美国普惠公司在其生产的航空发动机上大量采用Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金作为支架，美国B-1B轰炸机上Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金零件的用量达1000多个，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金紧固件在波音飞机上也已使用多年。我国用TB5钛合金替代30CrMnSiA制造某型战斗机伞梁和制造卫星发动机波纹板等零件，同时用TB5钛合金制造战斗机伞梁和卫星波纹板配套使用冷镦铆钉。

1.3 钛-45铌合金

Ti-45Nb 合金是一种铆钉专用材料，其突出优点是塑性高（伸长率可达 20% 以上，断面收缩率高达 60%-80%），冷加工性能优异，其剪切强度（τ ≥ 350MPa）和拉伸强度（σ_b ≥450MPa）高于纯钛。抗冷变形能力低于纯钛，适用于制作复合材料连接的铆钉。材料。美国对于 Ti-45Nb 合金进行了大量的基础研究工作；技术发展较为成熟，并于 1974 年列入 AMS4982 规范，2002 年修订为 AMS 4982C，已得到广泛应用。在美国，在航空航天铆钉产品中，Ti-45Nb 合金已被纯钛完全取代。该合金与 Ti-6Al-4V 合金制成的双金属铆钉，已在空客和波音飞机上获得大量应用。
对于要求剪切强度高、安装过程中不允许变形的铆钉杆铆接，一般采用双金属钛铆钉，双金属钛铆钉是由 Ti-6Al-4V 钉杆和 Ti-45Nb 钉头组成，经过惯性摩擦焊接，紧密熔合形成一个整体的实心铆钉。在这种双金属铆钉的铆接中，只有很小的冲击力能使 Ti-45Nb 铆钉头产生塑性变形，而 Ti-6Al-4V 铆钉杆则不会变形。双金属钛合金铆钉在 B-1 轰炸机、波音等飞机上广泛应用于铆接钛合金部件和复合材料部件。如美国F-14战斗机机翼的前缘使用了4000个双金属铆钉；其疲劳性能与高锁紧螺栓相当，成本可降低50%，比30%-40%轻，这种双金属铆钉的成本要低于其他β型钛合金铆钉。近年来，我国也研制出了双金属铆钉和 Ti-45Nb 铆钉，它们已在新一代飞机复合材料蒙皮铆接工程中得到应用。

2.使用钛合金材料的螺栓紧固件

航空航天紧固件中用量最大的是钛合金螺栓，钛合金螺栓按其用途可分为普通螺栓、高锁紧螺栓和过盈螺栓。由于钛合金螺栓的制造，一般要求其热处理后获得较高的抗拉强度和抗剪强度，通常要求其强度等级与 30CrMnSiA 高强度合金钢相当。

2.1 TC4 钛合金（σ_b ≥ 1100MPa 级)

TC4（美国牌号 Ti-6Al-4V/UNS R56400/ASTM Grade 5/Ti64）钛合金由美国于 1954 年首先研制成功，现已发展成为国际通用的钛合金，是目前对其研究最为全面和深入的钛合金。在航空、航天、民用等行业得到了广泛应用。它已被广泛用于制造横梁、框架、起落架、紧固件、航空发动机风扇、压缩机盘、弹仓、叶片等。它还用于许多其他行业，占钛合金产量的一半以上。该合金具有良好的工艺塑性和超塑性，合金α+β/β转变温度为980-1010℃，长期工作温度可达400℃。从1973年开始，为配合涡扇-8航空发动机TC4钛合金叶片的研制，我国开始了该合金的研究和工程应用。
1956年，美国采用TC4（Ti-6Al-4V）钛合金，制造了世界上第一批钛合金螺栓，首先用在B-52轰炸机上（取代了原来的30CrMnSiA螺栓），由于使用效果很好，很快得到推广。几乎所有西方飞机制造的螺栓中都有许多 TC4（Ti-6Al-4V）钛合金。但由于TC4（Ti-6Al-4V）是α+β双相合金，不能冷镦成型，其钉头必须加热镦粗，热处理需要真空水淬和时效处理，对加工设备和工艺要求很高。20 世纪 80 年代后期，我国有关单位对 TC4 钛合金紧固件的热镦技术进行了研究，并相继研制出热镦机床。20 世纪 90 年代实现了 TC4 钛合金紧固件的产业化。20 世纪 90 年代实现了 TC4 钛合金紧固件的工业化生产。目前，我国多家航空航天标准件厂已具备热镦设备和批量生产 TC4 螺栓的技术能力，TC4 钛合金螺栓已大量应用于我国新一代军用飞机、航天飞行器和卫星等工程领域。

2.2 TC6 钛合金（σ_b≥980MPa)

为满足航空发动机的高温要求，北京航空制造工程研究所研制出一种耐高温达 500℃以下的 TC6（俄罗斯材料 BT3-1）钛合金紧固件，与 TC4 钛合金相比；该材料对温度的敏感性更高，紧固件的制造难度更大。该合金是苏联 工会-中国研制成功BT3-1钛合金，名义成分为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，目前在俄罗斯广泛使用。我国于1979年配合WP13航空发动机进行了TC6钛合金尾杆等部件及配套紧固件的研制、合金的仿制工作，以及应用研究工作。
TC6 合金是一种综合性能良好的马氏体 α+β 型双相钛合金，一般在退火状态下使用，也可通过适当的热处理进行强化。该合金性能良好，抗氧化性和耐腐蚀性非常优异，其制件可在 400 ℃ 下长期工作 6000h 以上，在 450 ℃ 下长期工作 2000h 以上。室温等温退火处理抗拉强度大于 980MPa，屈服强度大于 840MPa，伸长率大于 10%，断面收缩率大于 25%。400 ℃高温抗拉强度大于 720MPa，伸长率大于 14%，断面收缩率大于 40%。还可通过 "固溶+时效 "处理进一步提高其强度。

2.3 TC16 (σ_b≥1030MPa 级)

目前，大部分钢制紧固件都采用冷镦工艺，只有少数较大尺寸的紧固件采用热镦工艺。冷镦工艺使紧固件能够连续大量生产。然而，由于大多数工业钛合金的冷成形性能较差，因此无法采用冷镦工艺进行加工。因此，在西方国家，TC4 钛合金紧固件主要采用热镦工艺生产；热镦工艺的缺点是：坯料加热时易发生局部烧伤和过热，表面氧化，同时不易实现连续镦粗的自动化，生产效率低。为提高钛合金紧固件的生产效率及其质量的稳定性，前苏联研制出紧固件冷镦用 BT16 钛合金，实现了钛合金紧固件冷镦技术的发展和跨越。它在伊尔76、伊尔86、伊尔96、安124、苏27系列和其他苏联（俄罗斯）飞机上获得了许多工程应用。
BT16（我国仿制牌号TC16）钛合金名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，该合金属于马氏体α+β型双相钛合金，β稳定系数为0.83，接近临界成分。该钛合金主要用于制造工作温度不超过 350°C 的航空航天紧固件，合金的 α+β/β 转变温度为（860±20）°C。钛合金中较小的β晶粒和较高的（860±20）℃α+β转变温度也很重要。较小的 β 晶粒和在退火状态下高达 25% 的 β 相体积分数决定了 BT16 合金具有优良的室温工艺塑性，因此该合金可在室温条件下完成紧固件头部的冷镦紧固，从而显著提高其螺栓生产效率，降低生产成本，且在随后的固溶时效热处理中其强度可达 1030-1180 MPa。俄罗斯（前苏联）（Former Soviet Union）的钛合金螺栓紧固件主要采用 BT16 钛合金制造，几十年来未出现任何质量事故。我国上世纪 90 年代，俄罗斯引进了苏-27 飞机生产线；为满足苏-27 飞机的国产化需要，国内有关单位立即开展了 BT16 钛合金及其紧固件的国产化工作；我国仿制了 TC16 钛合金的名称。我国自主研制生产的TC16钛合金螺栓已在国产三代战机上多次工程应用。

2.4 TB3（σ_b ≥ 1100MPa 级)

上世纪七八十年代，美国等西方工业化国家航空航天用 1100MPa 级钛合金螺栓主要采用 TC4（Ti-6Al-4V）钛合金热镦成形工艺生产。20 世纪 70 年代末 80 年代初，我国急需 1100MPa 级复合材料结构连接用钛合金螺栓和紧固件，但受热镦设备的限制（当时我国还没有热镦成型设备），无法研制生产 1100MPa 级 TC4（Ti-6Al-4V）螺栓，主要集中力量研制可直接冷镦的 β 型钛合金。TB3 钛合金就是在这样的背景下开发出来的；TB3 合金的成分是根据 20 世纪美国钛金属公司开发的 Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al 钛合金设计的。
TB3 钛合金是一种可热处理强化亚稳态β型钛合金，其名义成分为 Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。该合金的主要优点是固溶处理状态下具有优异的冷成形性能，其冷镦比（Dt/D0）高达 2.8，"固溶+时效 "体系处理后可获得高强度。处理后可获得高强度，主要用于制造使用温度低于 300°C 的 1100MPa 级高强度航空航天紧固件。1982 年 10 月，我国开始研制 TB3 钛合金螺栓，1985 年研制工作取得进展，形成了相关技术规范。20 世纪 80 年代中后期，国产 TB3 钛合金被制成高锁螺栓和过盈螺栓，安装在飞机复合结构和金属结构上，为我国钛合金螺栓和紧固件的应用摸索出了一定的经验基础。目前，该合金已广泛应用于 1100MPa 钛合金螺栓制造，并成功应用于运-7、歼-8、歼-10 飞机和部分航天飞行器。TB3 钛合金已成为我国可工业化生产的航天飞行器钛合金螺栓紧固件的主要材料。同时，钛合金还用于制造铆钉；在我国 2006 年颁布的 GJB120-2006 《钛及钛合金铆钉》中，TB3 钛材料作为铆钉正式列入标准。

2.5 TB8 钛合金（σ_b ≥ 1280MPa 级)

随着航空航天技术的飞速发展，在军用和民用飞机上使用的机械连接技术要求越来越高，所用标准件的技术含量也越来越高，其在飞机上的作用已不仅仅是 "紧固"、"连接 "的作用。尽管如此，它已成为实现飞机性能的重要组成部分。确切地说，它已成为实现整机性能的重要结构部件。未来航空航天技术的发展趋势要求新型紧固件具有高比强度，即轻质高强。因此，美国、俄罗斯、法国等世界航空强国都在积极开发抗拉强度在 1200MPa 以上的高强度钛合金材料及其紧固件。近年来，美国铝业公司研制出Timetal555钛合金高强度螺栓，其固溶时效抗拉强度达到1300MPa以上，双剪强度大于745MPa，伸长率大于10%，各项性能指标完全满足典型的1250MPa镀镉合金钢紧固件的规范要求。PS航空紧固件集团采用SPSTITANTM761钛合金加工制造的Aerlite180螺栓，其抗拉强度高达1240MPa，抗剪强度高达745MPa，达到了许多合金钢和耐腐蚀合金紧固件的强度水平，同时重量减轻了40%。
为紧跟国际先进航空航天钛合金紧固件的发展趋势，近年来，西工大超晶公司与信阳航天标准件厂联合开发了紧固件用特种TB8钛合金棒线材及其1280MPa高强度螺栓和紧固件，其规格从φ4-φ25不等。TB8钛合金是我国仿制美国的β21S钛合金，其名义成分为Ti-3Al-2.7 Nb-15Mo，β21S合金是美国钛金属公司（Timent）于1989年为NASP计划研制的一种亚稳态β型钛合金，β21S钛合金具有优良的冷热加工性能、深淬透性、高抗蠕变性、高抗氧化性和良好的耐腐蚀性，因此该合金于1994年被飞机设计师和制造商公认为优良的航空航天结构材料。1994年优良航空航天结构材料首次被列入美国ASTM标准；美国主要用该合金制造航天飞机用钛复合材料和波音777等飞机的发动机吊舱部件。我国从20世纪90年代开始开展合金仿制工作，完成了某型飞机结构件用TB8钛合金锻件和钣金件的开发应用研究工作，由于最终没有进入工程应用领域，仅在GB/T3620.1-2007《钛及钛合金牌号和化学成分》中规范了其牌号和成分，其材料和产品没有形成国标、国军标以及航空标准规范。
信阳航天标准件厂与西工大超晶公司联合研制的1280MPa级TB8钛合金螺栓实物图见图1；主要性能指标见表1。由于该合金使用的β稳定元素为高熔点抗氧化的钼和铌，而不是TB2和TB3钛合金中使用的抗氧化性差的钒，该合金制成的紧固件长时间使用温度可达550℃，彻底解决了传统高强度β钛合金紧固件使用温度低（不高于300℃）的问题。目前，研制的1280MPa级TB8钛合金高强度螺栓已在我国新一代飞机工程中得到应用，实现了良好的减重和与复合材料的相容性。

图 1 1280MPa 级 TB8 钛合金螺栓照片
表 1 1280MPa 级 TB8 钛合金螺栓的性能指标

性能项目	索引	备注
拉伸强度/兆帕	≥1280	根据 GJB715.23A-2008 标准
伸长率/%（相同炉料）	≥8	螺栓不需要同一批材料样品在熔炉中的伸长率
双剪切强度/兆帕	≥755	根据 GJB715.26A-2008 标准
疲劳寿命/时间	≥130000	根据 GJB715.30A-2002 标准，负载：12MPa

3.总结

可见，航空用钛合金紧固件的研究与应用自钛合金工业化出现就已经开始；美国、俄罗斯（前苏联）等航空工业发达国家在很早的阶段就已经形成了符合其技术的紧固件用钛合金材料体系，钛合金紧固件在其航空制造领域获得了大量的应用。我国航空用钛合金紧固件的研究和应用起步较晚，都是在航空发动机或飞机仿制、技术借鉴或引进过程中被动改进的，制造紧固件的钛合金材料都是借鉴或仿制俄罗斯（前苏联）、美国的，同时，我国航空紧固件中钛合金紧固件的占有量相对较低。随着我国航空工业的快速发展和飞机性能要求的不断提高，未来高性能航空紧固件对钛合金材料的制造提出了更高强度、更高断裂韧性、更高疲劳性能的要求。
作者张丽君、王乐克