在航空領域，早在20世紀50年代，鈦合金Ti-6Al-4V緊固件被美國最早應用于B-52轟炸機上，隨后如蘇聯、法國等航空發達國家，也緊跟著開始了自己的鈦合金緊固件研制與生產。 而我國起步較晚，在20世紀70十年代，有相關單位開始開展了鈦合金鉚釘的研究；20世紀80年代，有少量的鈦合金螺栓和鉚釘應用于第二代軍用飛機上； 20世紀90年代后期，隨著我國引進國外第三代重型戰斗機生產線和國產第三代戰斗機的自主制造，漸漸深入了對鈦合金緊固件的研究。 而近年來，我國航天事業大規模發展，各單位部門都開始了大量的鈦合金材料和工藝的研究，在航天航空領域，軍用和民用飛機上，鈦合金緊固件也都得到了大量的應用，據相關資料，C919飛機需鈦合金緊固件約20萬件左右。 微信圖片_20201216090413 鈦存在兩種同素異構形式a和b，鈦的密度小（4.51），強度質量比高，熔點高，高溫下高強度質量比能保持到550～600oC附近； 耐蝕性能較好，在室溫下能夠形成一層極好保護性能的鈍化層；低溫性能很好，在液氮溫度下也能保持良好的塑性和韌性；導熱系數與熱膨脹系數較低，使用時容易產生溫度梯度，不利于熱加工。 通常條件下，根據合金元素成分和常溫組織形貌將鈦合金大致分為三類： a-鈦合金 顯微組織是a組織，含有a相穩定元素和中性強化元素，例如Al元素，純鈦是典型的a鈦，典型的鈦合金有Ti-8Al-1Mo-1V b-鈦合金 顯微組織是b組織，有大量的b相穩定合金元素，如V、Ni、Mo等，其室溫強度可以達到a b 鈦合金的水平，并且同時能夠擁有更優秀的工藝性能，但是在高溫下，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 鈦合金 同時含有較多的a相和b相穩定元素，具有a b相混合組織結構，經過特殊熱處理后能夠達到很高的強度水平。目前航空領域使用最廣泛的就是a b 鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）。 相較與常規緊固件，由于航空行業上緊固件服役環境的特殊性，對其各方面性能要求普遍更高。在航空行業中，為了提高飛機的能源使用效率，優化機身架構，減輕整體質量，在各部件的材料的選擇上，都追求輕量化和高比強度。 其次，由于飛機在飛行過程中承擔的高風險，對于零部件質量一致性、均勻性的要求極高。值得注意的是，服役過程中頻繁的交變應力是導致零件失效的最主要原因，航天緊固件材料選用時對于疲勞性能的要求也特別高。 另外，服役過程中因為飛行高度變化導致的溫度跨度，以及發動機內部的高溫環境，相較于普通緊固件，航天緊固件一般要求更高的服役溫度。面臨諸多不利因素，鈦合金是在航天緊固件特別理想的結構材料。 經過國際上多年的發展，TC4（美國牌號：Ti-6Al-4V）是目前航天鈦合金緊固件使用最廣泛的材料，大約占所有鈦合金緊固件中的95%，也是我國鈦合金緊固件生產和研發的主要方向。 TC4（美國牌號：Ti-6AI-4V） 美、法于上世紀50年代開始鈦合金緊固的研發，Ti-6Al-4V最早美國應用于B-52轟炸機，蘇聯應用于伊爾76，替代了之前使用的30CrMnSiA鋼。 TC4是a b兩相合金，密度低，強度和疲勞性能十分優異，最高使用溫度300 oC～350 oC。到了21世紀，國外生產技術成熟，有了健全上下游產業鏈，質量控制體系過關，符合航空緊固件對于均勻性和一致性的高要求，主要應用在飛機的艙段、襟翼等重要結構連接以及發動機上。 TC4中要求各元素化學成分含量如下表所示： 微信圖片_20201216090430 表一 TC4各化學元素成分及含量 從組織形貌結構上來看，同時含有較多的a相形成元素Al和第二類b穩定元素，屬于a b兩相合金。 在低于相變溫度下進行熱處理會獲得晶粒尺寸、形狀不均勻的a b兩相鈦合金，晶界上容易產生連續和不連續a相，晶界內會有點狀、針狀、球狀a相存在。 一般來說，退火態的TC4是由初生a相和a b相所組成的混合物，通過固溶時效處理，可以有效的消除或者減少連續a相晶界，從而提高材料的抗拉強度和疲勞強度。 時效處理時，亞穩態b相的形成對疲勞強度的提升作用十分顯著。根據[9]表明，當溫度低于a b與b相轉變溫度時，隨著固溶溫度的提高，能夠獲得更多的等軸組織，而轉變組織占比減少。 當溫度超過a b與b相轉變溫度時，得到粗大的片狀組織、初始b晶粒，也有原始b晶粒轉變形成的長條狀交錯組織，在晶界有著a相析出。 最終實驗結果表明，在時效溫度為500 oC的情況下，材料的抗拉強度隨著固溶溫度先升高后下降，在960oC左右能夠達到最高值1120MPa左右。 而材料的斷面收縮率在經過固溶時效處理后只有略微提升，從退火態時的12%提升到了14%。材料的沖擊韌性則隨著固溶溫度的提高而單調略微下降。 TC4原材料的從海綿鈦到最終絲材盤元的制備大致可以分為提純混合、熔煉控制、軋制、絲材加工和表面潤滑這五個階段。 1、提純混合 將回收重復利用的鈦屑分解成碎片，再通過堿洗、水洗、磁吸等工藝將混料中的油污以及鐵屑等雜質去除。在這過程中，不需要有一道嚴格執行的回收控制程序來保證回收利用的鈦的一致性。 2、熔煉控制 包括了多次熔煉步驟，主要分為兩類，EB（電子束）熔煉和VAR爐（真空電弧自耗爐）熔煉。EB爐熔煉時，大量取樣進行成分分析，能夠嚴格控制原料的化學成分。VAR爐能有效去除鈦錠中的雜質和氣體。 3、軋制階段 第一步是進行大規格的鈦錠軋制，在通過感應加熱至相變點后先軋成方形棒材，再軋成的圓形棒材。第二步軋制是將的圓棒直接軋制到的圓盤，然后校直定型切斷。 4、絲材加工 經過退火處理后的軋制圓盤料通過旋轉車削、拋光、冷拉、卷盤工藝，最終制成盤元。過程中進行電子渦流探傷，標記有裂紋部分，方便后續去除。 5、表面潤滑 目的是為了滿足后續鐓鍛工藝的的成型要求，減小材料與磨具表面的摩擦力。表面潤滑工藝往往容易忽視，但是對后續緊固件加工階段影響很大，潤滑層的質量需要嚴格管控，最關鍵的兩個性能參數是粘結力、厚度。 由于TC4的室溫塑性較差，若使用冷鐓成型，材料十分容易開裂，報廢率極高。而在高溫下，TC4鈦合金材料塑性較好，TC4鈦合金緊固件的成型加工過程需要通過高頻感應加熱至650 oC～800 oC之間進行溫鐓成型。 但是，溫鐓過程中材料對于溫度的變化十分敏感，若溫度低于650 oC，材料的成形能力不足以滿足生產必須形變量，在零件的頭部、法蘭面等部位容易出現材料開裂。若溫度高于800 oC，則會出現過燒現象，內部組織發生變化，影響后續熱處理性能。 另外，TC4盤元線材硬度也較常規冷鐓用退火狀態的低碳鋼高很多，在生產過程中若工業設計不當，很容易縮短模具壽命，增加質量控制的難度。 比如，容易對磨具表面造成損傷，影響產品表面尺寸和質量，一般通過特定的表面潤滑和合理的公差設計來解決。另外，沖模成型時所需要的沖壓更大，容易給模具造成疲勞損傷，影響模具的使用壽命。 另外，每一道工序對前道工序產品的質量要求也十分嚴格，若在某一道工序生產的產品質量不合格并且沒有及時發現而進入下一道工序，很容易損害機器設備并且造成大批量的報廢，需要一個周全、緊密、完善、嚴格的閉環管理控制體系保障整體生產線的運行。 總體上來看，極高的質量要求必然提高生產成本，包括質量管理成本、研發成本、設備成本等在內，TC4鈦合金航天緊固件的較普通碳鋼緊固件高2～3倍。如何合理、科學的縮減成本也是未來鈦合金緊固件研發的一大方向。 TC16（俄羅斯牌號BT16） TC16也是a b兩相合金，在有著高強度的同時，也有良好的常溫塑性以及淬透性，疲勞和焊接性能好，應力集中敏感性小，經固溶時效處理之后強度可達1030MPa以上，能夠在室溫下冷鐓連續生產，極大提高了生產效率。 TC16最早由俄羅斯研制而出，在長期的使用過程中，對其成分控制、加工工藝、成型方式三者之間的配合控制，有著十分豐富的經驗，并且使用了氫處理技術使得能夠使用冷鐓工藝完成產品的成型過程。 已經在俄羅斯得到了大規模使用，并且幾十年內沒有出現過任何質量事故，目前在我國國內僅僅在軍事領域得到應用，尚未普及至民用。 TC16是一種富b相馬氏體a b兩相合金，也被能被定義為Ti-3Al-5Mo-4.5V。和TC4一樣Al元素提高了b相轉變溫度，增強了固溶強化效果。 Mo、V等元素穩定b相，提高了材料的強度和硬度。退火處理后TC16材料能夠保持良好的塑性和剪切應力，保證冷鐓生產的進行。 而根據我國有關科研人員研究文獻表明，TC16線材在分別經過冷鐓和熱鐓成型后，再固溶時效熱處理，得到的產品組織和硬度值都十分接近，這是因為熱處理過程中能夠消除之前成型過程中因為應力和溫度帶來的組織差異。 而冷鐓較熱鐓所得產品成本較低，表面質量較好，因此對于TC16，冷鐓成型是一個十分理想的工藝。 TB2鈦合金 TB2鈦合金是一種亞穩定β型鈦合金，合金名義成分為Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。在固溶狀態下，TB2鈦合金具有優異的冷成形性能和焊接性能。 目前，主要用作制造衛星波紋殼體、星箭連接帶及各類冷鐓鉚釘以及螺栓，尤其是TB2鈦合金鉚釘已經在航空航天領域重點型號產品上得到大量應用。 TB3鈦合金 TB3鈦合金[4]是一種可熱處理強化的亞穩定β型鈦合金，合金名義成分為Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。該合金的主要優點是固溶處理狀態具有優異的冷成形性能，其冷鐓比可達2.8，合金固溶時效后可獲得較高的強度，主要用于制造1100MPa級高強度航空航天緊固件。 TB5鈦合金是一種亞穩定β型鈦合金，其名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。TB5鈦合金有優異的冷成形性能，可以與純鈦的冷成形能力媲美。固溶后，可進行多種緊固件的冷成形;時效后室溫抗。 拉強度可達1000MPa。波音公司已經將TB5鈦合金緊固件應用在波音飛機上，我國也采用TB5鈦合金制造與殲擊機傘梁和衛星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘。 TB8鈦合金 TB8鈦合金是一種亞穩定β21S鈦合金，其名義成分為Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。這種鈦合金具有優異的冷熱加工性能、淬透性好，同時具有優異的抗蠕變性能和抗腐蝕性能。 由于該合金采用了高熔點、自擴散系數小的同晶型β穩定元素Mo和Nb，所以TB8鈦合金具有較高的高溫抗氧化性能，其抗氧化性能比Ti-15-3合金高100倍，具體數據見下表。目前，TB8鈦合金高強螺栓已經廣泛應用于我國航空領域重點型號產品上。 微信圖片_20201216090438 TB8與Ti-15-3鈦合金氧化數據比較 Ti-45Nb合金 Ti-45Nb合金屬于一種穩定β型鈦合金，是一種鉚釘專用鈦合金材料。最初，鉚釘用鈦合金材料主要以純鈦為主，但是純鈦緊固件強度太低，在一些高承載部位，純鈦緊固件無法滿足要求，所以急需一種塑性接近于純鈦，而強度高于純鈦的鈦合金材料，常用的亞穩定β型鈦合金變形抗力大，室溫塑性與純鈦相差較大。 后來，人們研制出了Ti-45Nb合金，這種合金室溫塑性高，室溫伸長率可達20%，斷面收縮率高達60%，冷加工能力十分優異。與純鈦相比，Ti-45Nb合金具有較高的抗拉強度和剪切強度，分別達到450MPa和350MPa。