緊固件是把兩個(gè)或兩個(gè)以上零件(或部件)連接成為整體時(shí)所采用的一系列機(jī)械零件的總稱，是重要的通用基礎(chǔ)機(jī)電產(chǎn)品，在工業(yè)中具有舉足輕重的作用，被譽(yù)為“工業(yè)之米”［1］。緊固件材料主要包括碳素鋼類、合金鋼類、不銹鋼類、鈦合金類、高溫合金類等［2］。高溫合金緊固件在高溫環(huán)境下(600℃以上)仍然具備優(yōu)良的強(qiáng)度、抗氧化、抗熱腐蝕、耐疲勞等綜合性能。近年來航空航天領(lǐng)域?qū)Ω邷睾辖鹁o固件的需求量逐年遞增。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國基本完成了高溫合金緊固件研制生產(chǎn)關(guān)鍵核心技術(shù)的突破，但在產(chǎn)品批次穩(wěn)定性、生產(chǎn)制造基礎(chǔ)以及標(biāo)準(zhǔn)化體系方面仍存在一定的差距。

1、高溫合金緊固件研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1典型高溫合金材料

高溫合金緊固件是航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)和轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與傳動(dòng)系統(tǒng)間、機(jī)匣間、飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等關(guān)鍵部位的連接件，必須具有高的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，高的持久和蠕變抗力，抗疲勞與抗應(yīng)力松弛，優(yōu)良的耐腐蝕性能，以及相匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異性能。航空航天用高溫合金緊固件種類繁多，涉及高強(qiáng)度螺栓螺釘、自鎖螺母、高鎖螺母、鉚釘、特種緊固件等，典型航空航天緊固件用高溫合金材料主要有GH2132、GH4169、GH4738。

GH2132(國外牌號(hào)A286)是一種時(shí)效硬化鐵基高溫合金，以Fe-25Ni-15Cr為基體，用少量的鉬、鈦、鋁、釩和微量硼等元素綜合強(qiáng)化而得，主要通過時(shí)效析出γ'Ni3(Ti，Al)相進(jìn)行強(qiáng)化，該合金在-253~500℃具有較高的屈服強(qiáng)度和持久蠕變強(qiáng)度，并有好的加工塑性和可焊性，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)航空航天用壓氣機(jī)盤、轉(zhuǎn)子葉片和緊固件等［3］。采用GH2132生產(chǎn)的緊固件種類繁多，其主要產(chǎn)品集中在900MPa級(jí)的螺母、1100MPa級(jí)的HB系列螺栓、1300MPa級(jí)的NAS系列的高強(qiáng)度螺栓以及試驗(yàn)芯棒等。

GH4169(國外牌號(hào)Inconel718)是一種沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，基體為奧氏體(γ相)，主要強(qiáng)化相為γ″相和γ'Ni3(Al，Ti，Nb)相，該合金在-253～650℃具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕性能，可以保證長期組織穩(wěn)定，在航空航天飛行器緊固件、渦輪盤、油氣井及油氣管道等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，占世界高溫合金年產(chǎn)量的1/3以上［4］。其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)緊固件使用環(huán)境嚴(yán)酷，其連接件要求具有耐高溫、高強(qiáng)度、高抗疲勞性，并要求具有良好的防松性等特點(diǎn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用螺栓90%以上采用的是GH4169。GH4169緊固件主要用作高強(qiáng)度螺栓、螺母、螺釘、螺套等，集中在1275MPa和1512MPa兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。

GH4738(國外牌號(hào)Waspaloy)是一種γ'Ni3(Al，Ti)相沉淀硬化型鎳基高溫合金，通過降低C含量、提高Al+Ti含量增加γ'相(沉淀硬化相)的含量，進(jìn)而提高合金的強(qiáng)度;降低夾雜物形成元素S和O的含量，提高了合金純凈度，顯著提高合金的疲勞性能，在-253~815℃具有強(qiáng)度高、抗氧化、耐腐蝕、熱加工與焊接性能好、冷變形加工性能好等優(yōu)異的綜合性能，同時(shí)具有良好的強(qiáng)韌性匹配，從而成為700℃以上航空航天用緊固件的重要選材［5］。

1.2市場供需情況

1.2.1市場需求

近年來，歐美等西方國家持續(xù)對我國進(jìn)行高新技術(shù)封鎖，俄烏沖突愈演愈烈，國際形勢不容樂觀。

為應(yīng)對各種不確定性，加快裝備更新?lián)Q代和加強(qiáng)備戰(zhàn)，提升我國戰(zhàn)略威懾力成為新時(shí)期的必然選擇。隨著武器裝備升級(jí)換代，對軍用關(guān)鍵材料提出更高的技術(shù)指標(biāo)和產(chǎn)量要求。進(jìn)入“十四五”，我國武器裝備加速建設(shè)，戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈數(shù)量級(jí)增長，新一代戰(zhàn)機(jī)的快速列裝，對高溫合金緊固件等上游產(chǎn)品的需求日益增大。

1.2.2國內(nèi)供應(yīng)情況

航空航天用高溫合金緊固件研制生產(chǎn)涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料冶煉加工、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品應(yīng)用等主要環(huán)節(jié)。國內(nèi)高溫合金緊固件設(shè)計(jì)制造單位主要有:航天精工股份有限公司、中國航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司、東方藍(lán)天鈦金科技有限公司等，以上3家單位的供應(yīng)量約占高溫合金緊固件供應(yīng)市場份額的70%以上;國內(nèi)航空航天用高溫合金材料冶煉加工單位主要有:撫順特殊鋼股份有限公司、北京鋼研高納科技股份有限公司、攀鋼集團(tuán)四川長城特殊鋼有限責(zé)任公司、西部超導(dǎo)材料科技有限公司、中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司、江蘇圖南合金股份有限公司等，以上6家單位的供應(yīng)量約占高溫合金材料供應(yīng)市場份額的90%以上。

1.2.3關(guān)鍵核心技術(shù)

20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)相繼開展了GH2132、GH4169、GH4738等典型高溫合金棒絲材試制。20世紀(jì)90年代以來，典型高溫合金在航空航天緊固件領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用?，F(xiàn)階段，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域緊固件產(chǎn)品及材料已基本突破關(guān)鍵核心技術(shù)，形成自主研制生產(chǎn)能力，緊固件產(chǎn)品及材料在化學(xué)成分、關(guān)鍵性能等方面與進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)。

航空航天緊固件用高溫合金材料研制生產(chǎn)主要采用變形高溫合金制備技術(shù)，通過真空感應(yīng)+真空自耗重熔雙聯(lián)冶煉技術(shù)制備成鑄錠，再通過鍛造、軋制、擠壓等方式加工變形成材，涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)主要有:合金成分調(diào)控技術(shù)、雙聯(lián)純凈化冶煉、熱軋坯的成分和組織均勻性控制技術(shù)、高速連續(xù)軋制穩(wěn)定性控制技術(shù)、棒材冷拉變形對強(qiáng)韌性及尺寸精度的控制技術(shù)等;航空航天緊固件研制生產(chǎn)主要采用鐓制成形工藝，涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)主要有:棒絲材全面性能測試分析技術(shù)、多工位溫鐓成形技術(shù)、高精度搓絲滾絲技術(shù)、自潤滑涂層涂覆技術(shù)、綜合考核驗(yàn)證技術(shù)等。

2、存在的問題

盡管國內(nèi)航空航天領(lǐng)域緊固件研制生產(chǎn)已基本突破關(guān)鍵核心技術(shù)，但是在產(chǎn)品及材料批次穩(wěn)定性控制、生產(chǎn)制造基礎(chǔ)能力、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)等方面與國外仍有一定的差距。

2.1產(chǎn)品及材料批次穩(wěn)定性控制不足

現(xiàn)階段，國內(nèi)航空航天緊固件用高溫合金材料生產(chǎn)制造過程中仍然存在成分波動(dòng)大、組織不均勻、尺寸精度公差波動(dòng)大等問題，導(dǎo)致材料批次性能不穩(wěn)定和成品率較低，國內(nèi)航空航天緊固件用高溫合金材料工程化制備技術(shù)成熟度不足7級(jí)，緊固件生產(chǎn)單位普遍認(rèn)為國產(chǎn)高溫合金材料“不好用不敢用”;國內(nèi)航空航天用高溫合金緊固件產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中仍然存在鐓制成型不規(guī)則、滾絲折疊、潤滑涂層涂覆不均勻、表面不連續(xù)缺陷等問題，導(dǎo)致產(chǎn)品力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)、涂層不均勻、疲勞壽命不足、產(chǎn)品質(zhì)量不合格和批次不穩(wěn)定，急需進(jìn)一步提高高溫合金材料、緊固件產(chǎn)品工程化制備技術(shù)成熟度。

2.2生產(chǎn)制造基礎(chǔ)能力薄弱

航空航天用高溫合金緊固件不同于普通緊固件，其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造技術(shù)難度大，屬于高端緊固件范疇。由于前期市場需求量少，國內(nèi)對高溫合金緊固件生產(chǎn)制造基礎(chǔ)能力重視程度不夠、投資意愿不強(qiáng)，加之國內(nèi)高端制造業(yè)在核心技術(shù)領(lǐng)域與歐美日等發(fā)達(dá)國家有著較大差距，導(dǎo)致高溫合金緊固件及其材料的生產(chǎn)制造基礎(chǔ)能力薄弱，部分高端裝備長期依賴進(jìn)口。具體來看，在高溫合金材料研制生產(chǎn)端，真空冶煉爐、真空自耗爐、精鍛機(jī)等設(shè)備長期依賴進(jìn)口;在緊固件產(chǎn)品研制生產(chǎn)端，多工位溫鐓機(jī)、高精度滾絲機(jī)、數(shù)控搓絲機(jī)等設(shè)備長期依賴進(jìn)口;在研制生產(chǎn)原輔料方面，二硫化鉬、鍍銀層、鍍鋁層等潤滑涂層還處在研發(fā)起步階段。

2.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系尚未完善

現(xiàn)階段，國外航空航天用高溫合金緊固件在產(chǎn)品規(guī)格、材料標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、尺寸公差體系、表面狀態(tài)規(guī)定等方面已經(jīng)建立相對完整而協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)體系。以美國航空航天協(xié)會(huì)(AIA)下屬的國家航空航天標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NASC)為例，NASC管理下的NAS標(biāo)準(zhǔn)逐步形成了以緊固件為主體的標(biāo)準(zhǔn)體系［6］。

其中，NASM1515是最典型的航空航天緊固件標(biāo)準(zhǔn)，NASM1515詳細(xì)編制了材料、頭型選擇、表面螺紋、尺寸公差、潤滑劑、夾緊與預(yù)加載、墊片墊圈、設(shè)計(jì)使用限制等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，成為國際航空航天界目前選取緊固件時(shí)的首選標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)航空航天用高溫合金緊固件標(biāo)準(zhǔn)尚未形成體系，高溫合金材料研制生產(chǎn)單位、緊固件產(chǎn)品研制生產(chǎn)單位、產(chǎn)品使用單位自成體系，制定了大量結(jié)構(gòu)型式相似卻各異、尺寸性能相近卻不同的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)量繁雜，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化程度低，對緊固件選用、研制生產(chǎn)、安裝使用、維修保障造成極大的影響。

3、努力方向

針對現(xiàn)階段批量生產(chǎn)穩(wěn)定性、生產(chǎn)制造基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化體系等方面存在的問題，國內(nèi)航空航天用高溫合金緊固件未來發(fā)展需要做好以下幾個(gè)方面的工作:(1)加快突破緊固件產(chǎn)品及高溫合金材料工程化制備技術(shù)，不斷提高技術(shù)成熟度;(2)加大制造生產(chǎn)裝備的研發(fā)投入，著力解決關(guān)鍵核心裝備受制于人的問題，持續(xù)增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的安全穩(wěn)定;(3)堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，借鑒國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合行業(yè)現(xiàn)狀，構(gòu)建完善的航空航天用高溫合金緊固件標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范指導(dǎo)緊固件產(chǎn)品的選用、研發(fā)、制造。

4、結(jié)語

高溫合金緊固件作為特殊環(huán)境下的高強(qiáng)度高耐久性承力連接件，產(chǎn)品雖小，卻蘊(yùn)含著豐厚的技術(shù)積淀，在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，具有極其重要的戰(zhàn)略意義和社會(huì)效益?，F(xiàn)階段，國內(nèi)航空航天用高溫合金緊固件發(fā)展已經(jīng)取得長足的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)水平還有一定的差距，需要堅(jiān)持問題導(dǎo)向，加快關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，壯大產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈，完善產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，引領(lǐng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期:2023-03-31)

作者簡介

朱行欣，1989年生，工程師，中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司研發(fā)中心副主任。

胡曉培，1988年生，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利審查協(xié)作河南中心助理研究員。

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