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常见的航空钛合金紧固件材料

2021-10-18 18:40:38
    在航空领域,早在20世纪50年代,钛合金Ti-6Al-4V紧固件被美国Z早应用于B-52轰炸机上,随后如苏联、法国等航空发达国家,也紧跟着开始了自己的钛合金紧固件研制与生产。
  而我国起步较晚,在20世纪70十年代,有相关单位开始开展了钛合金铆钉的研究;20世纪80年代,有少量的钛合金螺栓和铆钉应用于第二代军用飞机上;
  20世纪90年代后期,随着我国引进国外第三代重型战斗机生产线和国产第三代战斗机的自主制造,渐渐深入了对钛合金紧固件的研究。

  而近年来,我国航天事业大规模发展,各单位部门都开始了大量的钛合金材料和工艺的研究,在航天航空领域,军用和民用飞机上,钛合金紧固件也都得到了大量的应用,据相关资料,C919飞机需钛合金紧固件约20万件左右。

     钛存在两种同素异构形式a和b,钛的密度小(4.51),强度质量比高,熔点高,高温下高强度质量比能保持到550~600oC附近;

  耐蚀性能较好,在室温下能够形成一层极好保护性能的钝化层;低温性能很好,在液氮温度下也能保持良好的塑性和韧性;导热系数与热膨胀系数较低,使用时容易产生温度梯度,不利于热加工。
  通常条件下,根据合金元素成分和常温组织形貌将钛合金大致分为三类:
  a-钛合金
  显微组织是a组织,含有a相稳定元素和中性强化元素,例如Al元素,纯钛是典型的a钛,典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-1V
  b-钛合金
  显微组织是b组织,有大量的b相稳定合金元素,如V、Ni、Mo等,其室温强度可以达到a+b 钛合金的水平,并且同时能够拥有更好的工艺性能,但是在高温下,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 钛合金
  同时含有较多的a相和b相稳定元素,具有a+b相混合组织结构,经过特殊热处理后能够达到很高的强度水平。目前航空领域使用Z广泛的就是a+b 钛合金TC4(Ti-6Al-4V)。
  相较与常规紧固件,由于航空行业上紧固件服役环境的特殊性,对其各方面性能要求普遍更高。在航空行业中,为了提高飞机的能源使用效率,优化机身架构,减轻整体质量,在各部件的材料的选择上,都追求轻量化和高比强度。
  其次,由于飞机在飞行过程中承担的高风险,对于零部件质量一致性、均匀性的要求极高。值得注意的是,服役过程中频繁的交变应力是导致零件失效的Z主要原因,航天紧固件材料选用时对于疲劳性能的要求也特别高。
  另外,服役过程中因为飞行高度变化导致的温度跨度,以及发动机内部的高温环境,相较于普通紧固件,航天紧固件一般要求更高的服役温度。面临诸多不利因素,钛合金是在航天紧固件特别理想的结构材料。
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