鈦合金緊固件以其重量輕、比強度高、耐腐蝕、抗高溫、抗疲勞等優(yōu)良綜合性能，廣泛應用于飛機機體連接結構中，從戰(zhàn)斗機到運輸機再到民用航空飛機，單架飛機鈦合金緊固件使用量從幾萬件到幾十萬件，有的飛機使用量高達70～80萬件。目前，1100MPa強度等級的Ti-6Al-4V鈦合金緊固件是飛機機體鋁合金、鈦合金、復合材料結構使用的數(shù)量最大及種類最多的緊固件。并且Ti-6Al-4V鈦合金被公認為是綜合性能最好的一種鈦合金?。隨著鈦合金緊固件使用數(shù)量的增加，鈦合金絲材需求量逐年增加，目前全世界全年使用鈦合金緊固件用絲材和棒材的數(shù)量約為2000t。對航空鈦合金緊固件用絲棒材，由于緊固件制造要求越來越嚴格，對航空鈦合金緊固件制造用的材料性能和質(zhì)量提出了更高的要求，

甚至比飛機其他部位使用的棒材、板材等鈦合金材料要高。目前，我國多種新型飛機項目均在進行大刀闊斧的研制，中國正向飛機制造大國進軍，進而帶動國內(nèi)鈦合金緊固件需求量的大幅提升。由于航空用鈦合金材料加工技術要求高，產(chǎn)品附加值也高，航空鈦合金緊固件用絲棒材成為國內(nèi)多個廠家研發(fā)生產(chǎn)的對象，但由于歷史原因和各自的設備條件及技術水平的限制，國內(nèi)仍需在較多方面開展深入研究，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，才能滿足鈦合金緊固件生產(chǎn)對絲材提出的要求。本文從航空緊固件標準要求人手，針對航空鈦合金緊固件絲材加工設備、性能和質(zhì)量要求進行剖析，并提出了鈦合金絲材質(zhì)量控制要求。

1、鈦合金緊固件標準及絲材標準要求

采用絲材制造的Ti-6Al-4V鈦合金緊固件絕大多數(shù)要求進行固溶時效熱處理，以滿足抗拉強度1100MPa、抗剪強度660MPa的性能要求。對鈦合金制造的緊固件，除進行外觀檢查外，還需要進行冶金檢查和機械性能檢查，冶金檢查主要包括頭部流線、螺紋流線、金相組織、污染和過熱等，而機械性能檢查要求進行抗拉強度、剪切強度、疲勞、應力持久等試驗，因此緊固件標準要求材料具有較高的性能及質(zhì)量要求，在這些緊固件技術條件中要求材料滿足美國AMs4967標準(退火、可熱處理的鈦合金棒材、絲材、鍛件和環(huán)形件)或等 同于該標準所提出的要求。

美國AMS4967標準在材料的尺寸、公差、外觀、金相、機械性能、缺陷的控制等方面均有要求，并有較高的質(zhì)量一致性要求。對質(zhì)量一致性這項要求，足以使得材料在制造過程中必須進行極為嚴格的控制，如果在組織上、性能上一件有問題，就有可能造成整批報廢。對鈦合金緊固件，并不是機械性能越高越好，相應技術條件對加工質(zhì)量一致性也提出了較高的要求，鈦合金絲材的一致性是保證產(chǎn)品的合格性的基礎，其性能必須控制在一定范圍之內(nèi)，這就要求必須按照SPC(StatisticalProcess contml)的控制流程進行絲棒材生產(chǎn)。

2、鈦合金絲棒材加工質(zhì)量控制

2.1國外絲材質(zhì)量狀態(tài)

在國內(nèi)，中航工業(yè)制造所是最早進行多種鈦合金緊固件研發(fā)并應用于多種機型的研究單位，在生產(chǎn)中長期使用進口鈦合金絲棒材，通過使用發(fā)現(xiàn)，從國外進口的鈦合金絲材具有較好的質(zhì)量一致性，如圖1所示?？梢姡?～φ10mm的絲棒材在退火狀態(tài)下的抗拉強度、淬火后的抗拉強度和剪切強度均具有較高的一致性，且退火狀態(tài)供應的絲棒材具有較高的抗拉強度，接近鈦緊固件要求的最小抗拉強度值1100MPa。另外，國外進口絲材在金相組織上都具有較好的一致性，如圖2所示，為等軸α+轉變β組織，晶粒細小、均勻。而國產(chǎn)材料在軋制過程中由于成分、工藝等原因，會造成內(nèi)部組織分布不均，甚至出現(xiàn)帶狀組織，如圖3所示，微觀組織的不一致將導致宏觀上抗拉、剪切等性能的不一致性。

由材料復驗以及熱處理后鈦合金材料的性能和組織可以看出，進口鈦合金絲棒材具有較好的質(zhì)量一致性，根據(jù)分析以及從國外現(xiàn)場考查的情況可以得出：雖然鈦合金絲棒材各種化學成分含量在標準中均有規(guī)定，但在實際生產(chǎn)中，為了保證質(zhì)量一致性和較高的性能指標要求，國外材料生產(chǎn)廠商對各種化學成分的控制都有內(nèi)控的企標要求，以保證各成分含量控制在較小的波動范圍之內(nèi)，由化學成分試驗可以驗證這一點；另外，在生產(chǎn)過程中國外材料生產(chǎn)廠商在保證絲棒材變形量一致性以及避免缺陷如裂紋、折迭、雜質(zhì)、偏析的產(chǎn)生等方面進行了嚴格的控制。

2.2生產(chǎn)質(zhì)量控制及生產(chǎn)過程要求

鈦合金緊固件用絲棒材生產(chǎn)過程是一個全面的質(zhì)量控制過程，除保證尺寸、機械性能和內(nèi)部組織外，還需對缺陷進行嚴格的控制，對于前者易于達到，而要做到防止缺陷發(fā)生和控制剔出缺陷以及保證不同批次之間質(zhì)量穩(wěn)定性是較難實現(xiàn)的，不能單純依靠檢測實現(xiàn)，這就必須做到在源頭即開始對缺陷進行控制，并將控制滲透到材料成分、鑄錠控制以及最終生產(chǎn)出產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)中。同時，生產(chǎn)過程不能依靠人工保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須是自動化的過程，即在材料提純、原材料混合、鑄錠生產(chǎn)、大規(guī)格棒材軋制、小規(guī)格絲棒材軋制、棒材加工、絲材拉拔、表面涂潤滑劑等方面均采用自動化設備及工藝技術，并配套相應的化學成分、性能與組織檢測條件，只有這樣才能保證鈦絲棒材加工質(zhì)量。

2.2.1原材料提純和混合

材料成分的配備有兩種方法：一是采用海綿鈦加Al、V、O等成分進行配置；二是采用鈦屑加海綿鈦，然后再添加Al、v、0元素進行配置。由于目前世界上鈦礦越來越少，采用第二種方法可保證絕大多數(shù)鈦屑能得到重復利用，提高了材料的使用率，但是采用這種工藝必須極其慎重，需要有一套嚴格的鈦屑回收程序，以絕對保證所回收鈦屑的同一性。回收的鈦屑需要進行提純：首先，將大塊鈦屑分解成碎片，離心去除大部分油污，并在此時將鈦屑分成大、中、小屑；其次，進行堿洗，清水清洗，并將鈦屑烘干，再次將鈦屑分成大、中、小屑；最后，采用磁鐵將可能存在的鐵屑等(如斷折的刀頭等)去除，此時的鈦屑就可以作為原材料進行混合。

將適當比例的鈦屑加適量的海綿鈦、再加入Al、V元素進行充分混合，壓制成一定大小的坯料，就可作為EB爐(電子束冷床爐)熔煉原材料。

2.2.2鈦錠熔煉控制

鈦錠生產(chǎn)過程(如圖4所示)主要包括兩次熔煉：首先采用EB爐進行第一次熔煉，然后采用VAR爐(真空電弧自耗爐)進行第二次熔煉。在進行EB爐熔煉時，需在每隔200mm處取樣進行化學成分分析，達到對整個鑄錠成分進行控制的目的，從而確保材料合格及滿足一致性要求。

2.2.3大規(guī)格鈦錠軋制

為減少氧化，在大規(guī)格鈦錠軋制過程中采用感應方法進行加熱，達到相轉變點溫度后進行軋制，形成一定尺寸的方形鈦棒，經(jīng)檢測去除表面裂紋后，方形鈦棒再經(jīng)感應加熱軋制軋成φ100mm圓形鈦棒，在此基礎上便可進行后續(xù)小尺寸圓絲材的軋制，上述過程均通過計算機控制而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

2.2.4小規(guī)格棒絲材軋制

從φ100mm圓棒可直接軋制到西6mm盤圓，這個過程全部采用計算機自動化控制(如圖5所示)，在軋制過程中采用兩個梯次的感應加熱并經(jīng)多道反復軋扁、軋圓、軋三角、軋圓的復合過程，在軋制出口處采用激光對尺寸進行檢測并進行周向渦流探傷，對有缺陷的材料部位進行涂覆標記，以便隨后可去除缺陷部位。

2.2.5鈦棒加工

國內(nèi)鈦棒加工大都采用電阻加熱拉直的方法，該方法可能造成加熱溫度不一致而產(chǎn)生批內(nèi)不同根材料及同一根材料不同部位密度和性能不一致性，因此這種方法在航空鈦棒材加工中不宜采用。而真正能夠滿足質(zhì)量一致性要求的加工是：退火狀態(tài)的圓盤料在多滾冷軋校直下成形并定尺切斷，通過帶自動補償?shù)臄?shù)控無心磨床進行最終尺寸加工，在自動渦流儀上進行裂紋檢測。

2.2.6絲材加工

經(jīng)退火處理的軋制圓盤料需在專用車削拉拔機上加工成絲材，在加工過程中采用旋轉車削工藝，并在表面拋光后進行冷拉，采用渦流進行探傷，對存在問題的部分進行標識，以便后續(xù)進行去除，最后將拉出的絲材進行卷盤，以滿足包裝尺寸要求。

2.2.7絲材的表面潤滑

在鈦合金緊固件加工過程中，需采用熱鐓工藝鐓制出各種頭型，為滿足脫模要求并防止材料與模具粘連，絲材表面必須進行潤滑，從而保證生產(chǎn)順利進行。潤滑要求較為嚴格，厚度和粘結力必須合適，否則將影響產(chǎn)品質(zhì)量，為此需采用專用干膜潤滑劑及涂覆技術。

3、結論

鈦合金緊固件用絲棒材的生產(chǎn)過程是一個全方面質(zhì)量控制的過程，應將缺陷消滅在源頭即策劃中，并在生產(chǎn)中加人多道檢測控制。為滿足產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量的一致性要求，需在各道工序質(zhì)量一致性及生產(chǎn)自動化方面進行嚴格的控制和執(zhí)行：首先，需將材料成分控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)以保證高性能和一致性；其次，在生產(chǎn)中需保證各種規(guī)格尺寸變形的一致性；再次，在原材料提純及混合、鑄錠生產(chǎn)、大規(guī)格棒材軋制、小規(guī)格絲棒材軋制、棒材加工、絲材拉拔、表面涂潤滑劑等過程均要實現(xiàn)自動化控制，只有這樣才能保證產(chǎn)品質(zhì)量的均勻一致，滿足航空航天緊固件產(chǎn)品在質(zhì)量一致性方面提出的要求。

參考文獻

[1]張全純，汪裕炳.瞿履和，等.先進飛機機械連接.北京：兵器工業(yè)出版社.2000：134.

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