鈦合金螺絲作為一種重要的通用基礎(chǔ)件, 在工業(yè)中具有舉足輕重的作用, 被稱為“工業(yè)之米”。按種類可將鈦合金螺絲分為螺栓、螺釘、螺柱、螺母、木螺釘、自攻螺釘、墊圈、鉚釘、銷、擋圈、鏈接副和鈦合金螺絲-組合件等13大類; 根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域, 將鈦合金螺絲分為一般用途鈦合金螺絲和航空航天鈦合金螺絲。在航空領(lǐng)域, 飛機(jī)的連接方式仍以機(jī)械連接為主, 飛機(jī)的連接裝配依靠大量的各類鈦合金螺絲; 在航天領(lǐng)域, 飛行器部段之間的連接也要靠鈦合金螺絲連接。隨著裝備輕量化發(fā)展, 越來越多的航空航天鈦合金螺絲青睞于鈦合金材料。在國外, 鈦合金螺絲的應(yīng)用歷史可追溯到20世紀(jì)50年代, 美國率先將Ti-6Al-4V合金螺栓應(yīng)用于B-52轟炸機(jī), 取得了顯著的減重效果, 鈦合金螺絲在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用由此發(fā)端。
目前, 美國、法國等歐美發(fā)達(dá)國家, 鈦合金螺絲95%以上都采用國際上公認(rèn)的Ti-6Al-4V材料制造, 一些先進(jìn)機(jī)型用的鈦合金螺絲已經(jīng)完全替代了30CrMnSiA鋼。美國C-5A軍用運輸機(jī)采用鈦合金螺絲后, 質(zhì)量減輕4 500 kg左右; 民用機(jī)波音747鈦合金螺絲以鈦替代鋼后, 質(zhì)量減輕1 814 kg。俄羅斯鈦合金螺絲和合金體系已經(jīng)應(yīng)用于伊爾-76、伊爾-86、伊爾-96、圖-204、安-72和安-124等機(jī)型中, 明顯減輕了飛機(jī)質(zhì)量。例如圖-204飛機(jī)上采用了940 kg的BT16鈦合金螺絲, 質(zhì)量減輕688 kg; 伊爾-76飛機(jī)用鈦合金螺絲14.2萬件, 質(zhì)量減輕600 kg。我國鈦合金螺絲的研制歷史可以追溯到1965年, 20世紀(jì)70年代相關(guān)單位進(jìn)行了鈦合金鉚釘及應(yīng)用研究工作; 20世紀(jì)80年代, 我國部分第二代軍用飛機(jī)上開始使用鉚釘和螺栓等少量鈦合金螺絲; 20世紀(jì)90年代后期, 隨著國外第三代重型戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)線的引進(jìn)和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)的研制, 我國開始使用了一些鈦合金螺絲; 近年來, 隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展, 各單位相繼開展了鈦合金螺絲用鈦合金材料的研制和鈦合金螺絲制造工藝技術(shù)研發(fā), 鈦合金螺絲率先在航空航天領(lǐng)域中大量應(yīng)用, 在民機(jī)上的用量也十分可觀。據(jù)資料顯示, 每架國產(chǎn)C919飛機(jī)約需鈦合金螺絲20萬件, 按計劃2018年年產(chǎn)150架大飛機(jī)計算的話, 每年需要3 000萬件鈦合金螺絲。有關(guān)航空用鈦合金螺絲的未來發(fā)展趨勢，中揚金屬結(jié)合相關(guān)資料整理如下：
1、超高強(qiáng)度鈦合金螺絲
隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展, 新型飛機(jī)以及航天飛行器采用的連接技術(shù)水平不斷提高, 對新型鈦合金螺絲也提出了新要求。未來研制的抗拉級別在1 200~1 500 MPa、剪切強(qiáng)度≥750 MPa的超高強(qiáng)鈦合金螺絲是未來發(fā)展的趨勢之一。
2、耐高溫鈦合金螺絲
目前, 鈦合金螺絲用鈦合金材料使用溫度不高。在航空航天領(lǐng)域, 由于新型號飛機(jī)以及飛行器的飛行速度不斷提高, 要求材料的服役溫度也隨之提高。因此, 耐高溫鈦合金螺絲也是未來的發(fā)展趨勢, 尤其是在航天領(lǐng)域, 要求新型高溫鈦合金材料能夠在600~800 ℃短時服役。通常采用Ti2AlNb合金替代較重的高溫合金, 其變形比較嚴(yán)重, 而采用Ti2AlNb合金替代其他鈦合金材料還是較重, 無法滿足減重要求; Ti-Al基金屬間化合物工藝塑性較差, 成熟度較差。所以未來鈦合金螺絲用高溫鈦合金材料仍然以近α型和高鋁當(dāng)量的兩相鈦合金為主。在高溫下, 鈦合金的強(qiáng)度和抗蠕變性能的提高主要依賴于Al, Sn, Zr的固溶強(qiáng)化作用, 然而, 受到鋁當(dāng)量限制的影響, 這些元素的含量不能無限地提高, 所以在適當(dāng)控制Al, Sn, Zr含量的情況下, 通過多元素復(fù)合合金化進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化來設(shè)計鈦合金。β穩(wěn)定化元素Mo對高溫鈦合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度有固溶強(qiáng)化作用, Nb, Cr和V也有類似的效果。少量β穩(wěn)定化元素的加入還可以防止合金脆化。此外, 鈦合金中Si的含量對性能至關(guān)重要, 加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%左右的Si后, 橢球形硅化物將非均勻、不連續(xù)地沉淀于α片邊界上, 能夠有效地阻礙位錯的運動, 產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用, 使合金的抗蠕變性能大大提高。但是硅化物的出現(xiàn)同時對合金組織的熱穩(wěn)定性也產(chǎn)生了有害影響, 不僅降低合金的塑性, 而且會增強(qiáng)合金的有序化程度, 促進(jìn)Ti3Al相的生成。因此, Si含量應(yīng)控制在較低水平, 一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%。因此, 多元素復(fù)合強(qiáng)化仍然是新型高溫鈦合金材料設(shè)計的發(fā)展方向。
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