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  • 鈦合金材料在航空緊固件中的應用

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      鈦合金具有良好的耐腐蝕性、無磁性以及比強度高等優點,迅速引起了航空部門的重視,并得到了大量的應用。上世紀五十年代,美國在B-52型轟炸機上應用了鈦合金螺栓,得到了良好的減重效果,鈦合金材料便引起了各個國家航空工業部門的重視。實踐證明,采用鈦合金材料制造的航空緊固件能夠大幅度減輕飛行器的重量,如波音747采用鈦合金緊固件后其重量減輕1814kg.鈦合金材料具有良好的正電位性能,能夠有效防止電偶腐蝕,同時鈦合金又具有良好的耐高溫、彈性以及無磁性,因此,在航空工業中被廣泛使用。

      1、航空工業中鈦合金鉚釘類緊固件的應用

      對航空工業中的鉚釘來說,其材料的冷態塑性非常重要,是冷鉚接安裝的前提。鈦合金鉚釘通常被應用于耐腐要求高且強度要求不高的部位,β型具有非常良好的冷加工性能,是航空鉚釘制造的上好材料,能夠滿足各方面的要求。

      1.1 Ti-45Nb合金

      TI-45Nb的伸長率可達到20%以上,具有較好的可塑性和冷加工性能,其剪切和抗拉的強度都要優于純鈦,而冷變形抗力又低于純鈦,是復合材料連接用鉚釘的最佳材料選擇。在美國的航空工業中,Ti-45Nb已經取代了純鈦來進行鉚釘類緊固件的制造,得到了廠泛的應用。在剪切強度要求高的部位,-般采用Ti- -6AI-4V釘桿和TI-45Nb頭部組成的雙金屬鈦臺金鉚釘,TI-45Nb 的可塑性和Ti-6A1-4V的高強度形成了完美的組合,適用于各種飛機的鈦臺金構件以及復合材料構件的連接,不光減輕了重量,還降低了成本,近年來我國也對這種雙金屬鉚釘開始大量使用。

      1.2 TB2鈦合金

      TB2鈦合金材料是我國航空工業對鈦合金材料緊固件研究的起點。在上世紀60年代,成都飛機設計研究所提出了采用鈦臺金鉚釘的設想,并于1970年開始對TB2鈦合金鉚釘進行研制,1979年終于完成了技術鑒定,并制定了暫行技術條件。TB2鈦合金是一種亞穩定型β鈦臺金,在固溶處理狀態下具有優異的冷成形性能和焊接性能,目前被用于航天工業的各種冷鐓鉚釘和一些小規格螺栓的制造。上世紀80-90年代,我國相繼頒布了《鈦合金鉚釘》、《抗拉型鈦合金環槽鉚釘規范》以及《1000沉頭抗拉型鈦合金環槽鉚釘》等3部針對TB2鈦臺金鉚釘的技術標準,規定了相關使用技術規范。目前,TB2鈦合金材料的鉚釘因其優越的性能特點已經在我國的航空航天工業中被大量使用。

      1.3 TB5鈦合金

      TB5鈦合金屬于亞穩定β型鈦合金,名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1,最早是由美國空軍研究開發YMET公司進行生產的。TB5鈦合金具有與純鈦相當的冷成形性能,能夠在固溶狀態下進行各種復雜零件的冷成形,并且具有優異的室溫拉伸強度和抗腐蝕性,其缺點是抗氧化性能不足,只適用于低于200C的環境。在實際應用中,美國B1B轟炸機中TB5鈦合金的鉚釘類緊固件應用較多,其次在波音飛機上的應用也較為廣泛,我國對于TB5鈦合金材料也有一定的應用,如衛星發動機部件、殲擊機平梁等。

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      2、航空工業中鈦合金螺栓類緊固件的應用

      鈦合金材料的螺栓是航空航天工業中使用最多的,包括普通螺栓、高鎖螺栓和干涉型螺栓等。用來制造航空螺栓的鈦臺金材料對熱處理后抗拉以及剪切的強度要求較高。

      2.1 TC4鈦合金

      TC4鈦合金是美國于1954年研究并制造出來的,目前已經被國際上廣泛使用,是使用率最大的鈦合金,不光應用于航空航天制造,在工業中也被普遍使用。如飛機的起落架、枉架、梁、緊固件、發動機風扇、葉片等。TC4鈦合金具有超高的工藝蛆性,可在400C的環境下長時間工作。我國在1973年就開始了對TC4的研究與應用,如飛機發動機葉片等。

      采用 TC4鈦臺金制造的螺栓于1956年被美國首次應用于8-52轟炸機的制造中,其效果得到了認可,并被其他國家廣泛使用,目前TC4鈦合金螺栓幾乎應用于發達國家所有的飛機制造中。但TC4也有一定的缺點,如無法冷鐓成形,只能熱處理,加工工藝要求較高,對于此,我國研究出了TC4鈦合金固件熱鐓機床,并實現了工業化生產。目前TC4鈦合金螺栓已經被我國廣泛應用于航天飛機、客機、衛星等的制造中。

      2.2 TC6鈦合金

      TC6鈦合金是北京航空研究所研制出來的耐高溫緊固件材料,其能夠在500C的高溫中進行工作,但其制造工藝要求有一-定的難度。TC6鈦合金是對前蘇聯BT3-1鈦合金的仿制,我國最早于1979年應用于航空發動機制造,然后對TC6鈦合金螺栓開始了研制。TC6臺金屬于兩相鈦合金,綜合性能較好,可在退火狀態下使用,還能夠進行- -些熱處理強化,具有較高的抗氧化和抗腐蝕的性能,可在500"C以下的環境中進行長時間工作,溫退火處理后的抗拉強度較高,達到980MPa以上,同時還具有優異的延伸率、斷面收縮率等性能。

      2.3 TB3鈦合金

      TB3是我國于.上世紀70年代研制成功的,當時在發達工業國家的1100MPa鈦合金螺栓都是采用TC4鈦合金材料制造,而我國當時的熱鐓技術并不成熟,無法采用TC4鈦合金進行制造,所以就研制了可以直接冷鐓的1100MPa級鈦合金,也就是TB3鈦合金,該鈦合金屬于亞穩定β型鈦合金,可進行熱處理強化,在固溶處理狀態下具有較強的冷成形能力,“固溶+時效”處理后具有較高強度,可用于300C以下的1100MPa級高強度航空航天緊固件的制造中。我國于上世紀80年代開始研制并形成技術規范,然后開始投入制造高鎖螺栓和干涉型螺栓,目前已經廣泛應用于100MPa螺栓的制造中。

      3、總結

      隨著航空航天事業的不斷發展,鈦合金緊固件在航空航天制造中已經被廣泛應用,美國、俄羅斯等航空工業發達的國家都已經形成了鈦合金緊固件材料制造體系。我國對于鈦合金緊固件在航空制造中的應用研究較晚,大部分都是對前蘇聯技術的改進或仿制,應用程度也相對較低,因此,必須要加快我國航空緊固件鈦合金材料的應用研究,為我國航空事業的發展做出貢獻。

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