钛合金材料在我国航空紧固件中的运用初探

陈震远 叶飞 洪红莲 孙闪 王智慧

摘 要：随着近年来我国航空工业的技术水平不断提高，选择钛合金材料作为航空紧固件的材料已成为我国航空工业发展的必经阶段。基于此，本文简述了我国航空紧固件材料使用钛合金材料的优势，同时分析了航空使用的铆钉紧固件和螺栓紧固件中钛合金材料的应用特点，希望对我国航空工业的发展提供一定帮助。

关键词：钛合金材料;航空紧固件;运用

前言：紧固件作为工业发展中十分重要的基础构件，自上世纪50年代以来，各国的航空工业均选择使用钛合金材料作为航空紧固件的主要材料，由于钛合金材料具有耐腐蚀和高温的特性，且其弹性和强度都符合航空行业的相关材料要求，因此其受到航空工业方面有关人员的高度重视，成为航空行业研究的重点方向。

1.钛合金材料在航空紧固件的应用优势

在航空工业中将钢铁材料紧固件和钛合金材料紧固件进行特性差异分析可知，钛合金紧固件相比于钢铁紧固件而言具有以下几点优势：第一，钛合金材料的磁导率较小，钛合金材料紧固件属于无磁紧固件，磁场对其产生的干扰情况可以忽略不计，同样为无磁材料的奥氏体不锈钢在经过冷处理后会产生一定的磁性，而钛合金材料不管经过冷加工还是热加工，其磁性均不会发生改变，因此，在航空工业中使用钛合金材料具有明显的优势。第二，钛合金的密度较低，使得钛合金材料制造的紧固件和其他材料紧固件相比，其质量更小。第三，经过试验证明，钛合金材料的熔点比钢铁材料更高，钛合金材料的耐高温性质也更符合航空紧固件的使用要求。第四，紧固件被拉伸后呈现的临界强度为紧固件的屈服强度，抗拉强度紧随其后，紧固件出现屈服形变后，会造成紧固件紧固作用丢失。钛合金材料和钢铁材料的特性对比，钛合金材料的屈服强度和抗拉强度相近，其较高的屈服强度也可以最大程度的满足航空紧固件制造要求。第五，钛合金材料作为比强度较高的材料，其可以和轻质铝合金进行替代。但若外加荷载不变的情况下，使用钛合金材料制造的零部件尺寸会比使用铝合金材料制造的更小，使得在空间利用方面，钛合金的优势更为明显，且空间的充分利用在航空工业发展方面有着十分重要的意义。对于我国航空工业钛合金材料使用情况分析可知，在我国的航空紧固件制造中使用钛合金材料的发展时间较短，缺少显著特征。同时，在航空工业中，钛合金紧固件尽管使用范围较广，但其使用占比较小的问题仍没有得到彻底解决。

2.航空紧固件中钛合金材料的应用分析

2.1铆钉紧固件中钛合金材料的应用

航空工业中使用的铆钉紧固件需要冷态塑性较高的材料，这是保障冷铆钉安装工作的重要保障。通常而言，钛合金材质的铆钉紧固件的耐腐蚀性能较强，可以进行一定冷加工处理，是满足航空工业铆钉紧固件制造要求性能中较为良好的材料。常用制造航空工业铆钉紧固件的钛合金材料为：Ti-45Hb材料，TB2材料以及TB5材料。

Ti-45Hb材料在使用过程中，其伸长率可以达到20%以上，同时其可塑性和冷加工性能较好，合金材料和纯钛材料相比，其抗拉和剪切强度更佳，冷变形抗力更小，是最佳的航空铆钉紧固件制造材料。当前美国的航空领域在铆钉紧固件制造上已使用Ti-45Hb材料替代纯钛材料，替代效果十分出色，即使在航空器剪切强度要求较高的部位，Ti-45Hb材料制造的铆钉都能轻松负担，在降低航空器整体质量以及制造成本方面表现出色。

TB2材料是近年来我国航空铆钉紧固件使用的制作材料，以TB2材料制造的铆钉紧固件进行技术分析可知，其材料属于β钛合金中的亚稳定型，固溶条件下，其具有一定冷成型性能，同时其焊接性能较好，可以用来生产小规格的航空铆钉紧固件。现阶段我国已经将TB2材料的使用技术标准进行规定，并大范围的应用于航空紧固件的制造中，在保障航空紧固件质量的基础上，对我国航空紧固件的制造工艺进行了有效改善。

TB5材料同样属于β钛合金中的亚稳定型，此材料由美国空军进行的研发工作，其和纯钛材料相比，其冷成型性能更为良好，在固溶条件下可以进行复杂零部件的冷成型操作。同时，TB5材料具有一定的抗腐蚀性能和拉伸强度，但是由于其在实际应用阶段存在抗氧化性能较差的情况，暂时只适用在200℃以内的环境中的部件制造，TB5材料在200℃以内的环境中可以保障制造出的铆钉强度、性能和质量符合航空工业紧固件使用标准，因此TB5材料的应用价值较高[1]。

2.2螺栓紧固件中钛合金材料的应用

航空工业中使用的钛合金螺栓紧固件和纯钛螺栓紧固件相比，钛合金材料的螺栓紧固件强度和应用性能均优于纯钛材料的螺栓紧固件，实际应用效果更佳。常用于制造航空工业螺栓紧固件的钛合金材料为：TC4材料，TC6材料以及TB5材料。

TC4材料是美国上世纪中期研发制造的合金材料，该材料在当前国际中应用范围和使用概率较高，在制造飞机起落架、航空器紧固件以及飞行器叶片制造等领域被广泛使用。同时，TC4材料的工艺塑性较高，其制造构件可以在400℃状态下长时间的运行。现阶段我国飞行器使用的紧固件也开始使用TC4材料，其对于全面提高我国螺栓紧固件的性能和强度方面有着明显的促进作用，对我国的航空紧固件生产制造现状起到了明显的改善。

TC6材料是我国近年来开始应用于航空紧固件的制造中的材料，其比TC4的耐高温性能更强，可以在500℃的环境下长时间运行。使用TC6材料的制造工艺技术较高，以此才能保证紧固件在使用时的效果。TC6材料的实际应用为具有较高综合性能的两相钛合金，其在退火的条件下可以继续使用，同时还能通过对材料的热处理进行有效的强化，TC6材料同样具有一定的抗腐蚀和抗氧化性能。

TB5材料作为β钛合金中的亚稳定型，其在热处理强化和固溶状态冷成型后的性能更强。在实际生产中TB5材料可以通过固溶和时效的方式进行处理，以此增强螺栓紧固件的强度，满足航空螺栓紧固件的使用要求，保障了紧固件的整体使用性能和效果[2]。

结束语：综上所述，经过分析可知，在航空工业中，钛合金紧固件尽管使用范围较广，但其使用占比较小的问题仍没有得到彻底解决，随着航空工业的不断发展，业内人员应将研发强度更高，延展性更好，疲劳性更强，断裂韧性更高的钛合金材料作为航空事业发展的重要课题，为我国航空工业的发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]李蒙，凤伟中，关蕾，王新，张永强，王俭.航空航天紧固件用钛合金材料综述[J].有色金属材料与工程，2018，39（04）：49-53.

[2]董瑞峰，李金山，唐斌，孙智刚，寇宏超.航空紧固件用钛合金材料发展现状[J].航空制造技術，2018，61（04）：86-91.