鈦合金螺絲用鈦合金材料與鈦合金螺絲的制造工藝和用途密切相關(guān)。一方面, 鈦合金螺絲的制造工藝主要包括3部分:首先, 塑性變形, 例如頂鐓、減徑和滾螺紋等; 其次, 表面強(qiáng)化, 例如螺栓承力面與直桿過渡區(qū)的強(qiáng)化等; 最后, 機(jī)械加工, 例如車、銑和磨等。另一方面, 鈦合金螺絲的用途不同, 所需材料的性能要求也不同, 這就需要使用不同的鈦合金材料。以鉚釘和螺栓為例, 鉚釘在安裝過程中需要一端或者兩端鐓頭, 所以鉚接過程對(duì)材料的塑性要求較高。螺栓一般要求具有較高的強(qiáng)度, 其強(qiáng)度水平與30CrMnSiA高強(qiáng)度合金鋼接近, 所以通常采用高強(qiáng)鈦合金材料。綜合以上兩方面的因素, 鈦合金螺絲用鈦合金材料也主要分為工業(yè)純鈦、(α+β)型和β型鈦合金三類, 具體見表 2。由表 2可知, 工業(yè)純鈦主要是TA1和TA2。(α+β)型鈦合金主要包括TC4, TC6和Ti-662等。β型鈦合金以亞穩(wěn)定β型鈦合金為主, 這是因?yàn)閬喎€(wěn)定β型鈦合金鉬當(dāng)量一般在10%左右。鉬當(dāng)量小于10%的近β型鈦合金熱處理強(qiáng)化效果不足; 鉬當(dāng)量大于10%的穩(wěn)定β型鈦合金在時(shí)效熱處理過程中, β相穩(wěn)定性會(huì)較高, 難以分解, 所以亞穩(wěn)定β型鈦合金材料的強(qiáng)化效果最明顯。此外, 亞穩(wěn)定β型鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性, 可以進(jìn)行冷鐓, 避免采用專業(yè)的加熱設(shè)備和氣體保護(hù)介質(zhì), 生產(chǎn)效率和材料利用率高, 成形后的鈦合金螺絲尺寸精度高、表面質(zhì)量好。而(α+β)型鈦合金鈦合金螺絲只能采用熱鐓成形, 需要專門的加熱設(shè)備和氣體介質(zhì), 生產(chǎn)效率和材料利用率低, 也容易出現(xiàn)加熱溫度不均勻的現(xiàn)象。

表1 鈦合金螺絲用鈦合金材料

表2和表3分別列出了鉚釘和螺栓用鈦合金材料的力學(xué)性能。由表 3可知, 鉚釘用純鈦抗拉強(qiáng)度在350 MPa以上, 剪切強(qiáng)度在240~350 MPa; (α+β)型鈦合金鉚釘以退火態(tài)使用, β型鈦合金在固溶態(tài)使用, 且兩種合金的抗拉強(qiáng)度基本相同, 為800~950 MPa, 剪切強(qiáng)度在600 MPa以上。螺栓用鈦合金材料除了TC4鈦合金以外, 全部是亞穩(wěn)定β型鈦合金, 且都在固溶+時(shí)效態(tài)使用, 除了TB8, TB9和Ti-555合金材料的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到1 200 MPa以上, 大部分β型鈦合金的抗拉強(qiáng)度一般都為1100 MPa左右, 剪切強(qiáng)度為650~700 MPa。

表2 鉚釘用鈦合金材料的力學(xué)性能

表3 螺栓用鈦合金材料固溶時(shí)效的力學(xué)

幾種鈦合金螺絲用重要鈦合金材料

1）TC4鈦合金

TC4鈦合金是一種中等強(qiáng)度的兩相鈦合金, 也是研究和應(yīng)用最多的鈦合金材料, 鈦合金螺絲用鈦合金材料大多數(shù)是TC4鈦合金。TC4鈦合金制造鈦合金螺絲時(shí), 只能采用熱鐓, 且必須采用專門的熱鐓設(shè)備和加熱設(shè)備, 不但影響生產(chǎn)效率, 且材料利用率較低。針對(duì)高強(qiáng)鈦合金螺絲, TC4鈦合金鈦合金螺絲強(qiáng)度不能滿足要求, 合金固溶時(shí)效后的抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到1 100 MPa, 剪切強(qiáng)度在650 MPa左右, 由于TC4鈦合金淬透性差, 固溶時(shí)效時(shí), TC4鈦合金鈦合金螺絲截面尺寸一般在19 mm以下。TC4鈦合金鈦合金螺絲包括螺栓、高鎖螺栓、抽釘、螺釘和環(huán)槽鉚釘?shù)? 其中TC4大多數(shù)螺栓已經(jīng)在國內(nèi)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備、航天飛行器和衛(wèi)星中獲得了大量應(yīng)用。

2）TC6鈦合金

TC6鈦合金是一種綜合性能優(yōu)異的馬氏體型(α+β)型雙相鈦合金, 名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si, 該合金一般在退火狀態(tài)下使用, 也能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化, 還具有良好的抗氧化性能。

3）TC16鈦合金

TC16鈦合金是典型的固溶時(shí)效強(qiáng)化型兩相鈦合金, 名義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V。固溶處理后, 該合金具有較高的室溫塑性, 所以具有良好的冷鐓性能, 鐓鍛比達(dá)到1：4。在鈦合金螺絲制造方面, TC16鈦合金既可以直接冷鐓成形, 也可以采用熱鐓成形。目前, TC16鈦合金鈦合金螺絲有螺栓、螺釘和自鎖螺母等。

4）TB2鈦合金

TB2鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金, 合金名義成分為Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。在固溶狀態(tài)下, TB2鈦合金具有優(yōu)異的冷成形性能和焊接性能。目前, 主要用作制造衛(wèi)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(jīng)在航空航天領(lǐng)域重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用。

5）TB3鈦合金

TB3鈦合金是一種可熱處理強(qiáng)化的亞穩(wěn)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(yōu)點(diǎn)是固溶處理狀態(tài)具有優(yōu)異的冷成形性能, 其冷鐓比可達(dá)2.8, 合金固溶時(shí)效后可獲得較高的強(qiáng)度, 主要用于制造1100MPa級(jí)高強(qiáng)度航空航天鈦合金螺絲。

6）TB5鈦合金

TB5鈦合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金, 其名義成分為Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。TB5鈦合金具有優(yōu)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(jìn)行多種鈦合金螺絲的冷成形; 時(shí)效后室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 000 MPa。波音公司已經(jīng)將TB5鈦合金鈦合金螺絲應(yīng)用在波音飛機(jī)上, 我國也采用TB5鈦合金制造與殲擊機(jī)傘梁和衛(wèi)星波紋板配套使用的冷鐓鉚釘。

7）TB8鈦合金

TB8鈦合金是一種亞穩(wěn)定β21S鈦合金, 其名義成分為Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。這種鈦合金具有優(yōu)異的冷熱加工性能、淬透性好, 同時(shí)具有優(yōu)異的抗蠕變性能和抗腐蝕性能。由于該合金采用了高熔點(diǎn)、自擴(kuò)散系數(shù)小的同晶型β穩(wěn)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(shù)據(jù)見表4。目前, TB8鈦合金高強(qiáng)螺栓已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國航空領(lǐng)域重點(diǎn)型號(hào)產(chǎn)品上。

表4 TB8與Ti-15-3鈦合金氧化數(shù)據(jù)

8）Ti-45Nb合金

Ti-45Nb合金屬于一種穩(wěn)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(qiáng)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(qiáng)度高于純鈦的鈦合金材料, 常用的亞穩(wěn)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(zhǎng)率可達(dá)20%, 斷面收縮率高達(dá)60%, 冷加工能力十分優(yōu)異。與純鈦相比, Ti-45Nb合金具有較高的抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度, 分別達(dá)到450 MPa和350 MPa。