鈦及鈦合金因其密度輕、比強度大、耐蝕性好、無磁性、可焊接和溫度適應范圍廣等優(yōu)異性能，常是制作航空鈦螺絲（鈦緊固件）的首選材料。鈦制緊固件能減輕飛機質量，且是鈦合金、碳纖維復合材料等結構件必須的連接件[1-2]。隨各國航空業(yè)的飛速發(fā)展，鈦合金緊固件用量不斷增加，以計劃于2014 年首飛的國產商用大飛機C919 為例，單機鈦合金緊固件用量達20 萬件以上，按2018 年達到年產150 架計算，總需求量達3000 萬件，常用鈦合金緊固件如圖1 所示。目前國內外鈦合金緊固件的應用比較普遍且對質量要求越來越高，選擇合適的鈦合金材料至關重要。緊固件用鈦合金材料主要有以下幾類： 第一類為工業(yè)純鈦(TA1、TA2)，即α 型鈦合金；第二類為β 型鈦合金，常用的有我國的TB3、TB2-1、美國的β-C等[3]；第三類為α-β 兩相鈦合金，典型合金為TC4(Ti-6A1-4V)、俄羅斯的BT16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)[4-5]。

工業(yè)純鈦主要用于強度要求不高而耐蝕性能較好的部位，市場需求量有限；β 型鈦合金相比于綜合性能優(yōu)越的α-β 兩相鈦合金已無優(yōu)勢可言，現已不是航空緊固件用重點材料；α-β 兩相鈦合金中的TC4、TC16 ( 相近牌號BT16， 國產TC16 和俄產BT16 鈦合金化學成分(wt%)對比如表1 所示)各有優(yōu)勢，廣泛用于緊固件的制造。TC4 是國際公認綜合性能最好且應用最廣泛的鈦合金之一[5]，具有優(yōu)異綜合性能和良好工藝特性， 但不高的室溫塑性要求加工緊固件時需要采用感應加熱進行熱鐓成形及真空固溶處理加時效處理， 生產成本和工作量大致是按冷變形工藝制造類似緊固件的2～3 倍，加工量大且成本偏高[6]。在加工制造業(yè)提高生產效率和降低生產成本要求下，今后發(fā)展必然受限。針對不同使用條件和工藝要求， 我國相關專業(yè)人員將俄羅斯常用緊固件材料BT16 改型，獲得TC16 合金，其綜合性能與TC4 相近且多采用冷變形方式制造緊固件，今后更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1、 TC16 鈦合金的研究現狀

TC16 鈦合金具有高塑性、高強度、良好淬透性，同時抗疲勞和焊接性能好，對應力集中敏感性小等優(yōu)點；真空固溶處理溫度僅為800℃，比TC4 合金要低150℃， 合金經固溶時效處理后強度可達1030MPa以上；該合金常采用冷鐓方式制造螺栓、螺釘、鉚釘等，緊固件在160℃以下無限期使用，最高工作溫度在350℃左右[7]。TC16 鈦合金是制造航空鈦合金螺絲最理想的材料之一。在BT16 鈦合金材料長期使用過程中， 俄羅斯更注重于實踐研究， 在該合金成分控制、加工工藝和成形性能等方面研究較深入，已利用氫處理技術將BT16 合金大直徑螺栓生產由熱鐓改為冷鐓[8]。國內對TC16 合金更偏重于基礎研究，在該合金熱處理工藝與性能的關系、軋制拉拔工藝及冶煉工藝等方面做了一些探索研究，如吳崇周等[9-11]系統(tǒng)分析了退火制度、固溶時效熱處理、冷變形強化等因素對TC16 合金組織和性能的影響； 張志強等[12]研究了淬火溫度對TC16 合金顯微組織和變形行為的影響；楊揚等[13]基于Johnson-Cook 模型擬合分析了TC16 合金不同壓力條件下的真應力-真應變曲線，獲得動態(tài)本構關系，較好地預測TC16 鈦合金的流變應力。孫中剛[14]闡述了置氫TC16 鈦合金亞穩(wěn)相變及其室溫變形行為。我國TC16 鈦合金經相應熱處理后的各項力學性能指標已達到俄產BT16 鈦合金的水平，但兩者在冷鐓性能上有明顯差距。TC16 合金優(yōu)勢在于能冷鐓成形， 通過控制軋制工藝得到片狀顯微組織的鈦棒材，然后優(yōu)化冷鐓工藝，提高該合金緊固件冷鐓成形率是今后重要的研究方向[15]，國產TC16 和俄產BT16 顯微組織對比見圖2。

2 、TC16 鈦合金材料特征分析

TC16 鈦合金是一種富β 相馬氏體型α-β 兩相鈦合金，定義成分為Ti-3Al-5Mo-4.5V，其中Al 元素能提高β 相轉變溫度，通過固溶強化作用，增加鈦合金強度和熱塑性；Mo、V 等元素能提高合金中β相的穩(wěn)定性，從而提高合金的強度和硬度[15]。TC16鈦合金退火后可消除殘余應力， 組織多變?yōu)榈容S組織，隨著退火溫度和冷卻速度的降低，可使合金獲得

高強度和高塑性，延長退火保溫時間，可降低合金強度；固溶時效處理時，降低時效處理溫度和縮短時效時間，提高固溶溫度，可相應提高合金強度，相反可改善合金塑性[16-17]。

冷鐓變形量減小，會降低合金強度，提高塑性，但對合金的冷鐓性能沒有太大影響，冷鐓變形能力與顯微組織、熱塑性、剪切強度等密切相關。高品質航空緊固件對所選材料要求嚴格，TC16 鈦合金在對開軋溫度、道次變形量、軋制速度和熱處理制度等因素進行嚴格控制后可得到晶粒細小、分布均勻、α 相充分破碎的片狀顯微組織，完全滿足緊固件用鈦合金的要求。

3、 TC16 鈦合金緊固件加工方法概述

以前常采用車削法制造緊固件， 由于其成本高，生產效率低逐漸被鐓制工藝所取代， 現在金屬緊固件的加工方法多采用鐓制工藝。鐓制又分冷鐓與熱鐓，TC16鈦合金螺絲既能采用冷鐓法直接制備，又可通過熱鐓法進行后續(xù)固溶時效熱處理。冷鐓工藝不需加熱設備，生產效率高，工序簡單、成本較低，可實現高效化生產，與熱鐓處理相比，冷變形強化緊固件的強度偏低；熱鐓工藝變形抗力小，緊固件強度高， 但坯料加熱不均勻，易出現局部過燒或過熱，真空淬火表面易氧化，工序復雜，效率偏低，成本高；工業(yè)生產緊固件多將冷鐓與熱鐓相結合的工藝路線[18]， TC16 鈦合金緊固件多以冷鐓加熱處理強化工藝進行生產。

4、 航空緊固件用TC16 鈦合金發(fā)展問題及新動態(tài)

國內航空緊固件用材料比較單一， 一直以來傾向于使用國外驗證成功且加工技術成熟的材料，如純鈦及TC4。我國對TC16 鈦合金的生產和加工工藝不夠成熟[18]，開發(fā)的TC16 鈦合金更是由于鈦棒線材軋制生產線落后、技術設備能力不足、冷鐓成形困難等原因，規(guī)?；a和應用受到限制，國內等軸組織的TC16 雖能滿足力學性能要求， 但合金冷鐓 成形率不高， 有關部門仍在不斷優(yōu)化TC16 各項組織性能。然而TC16 鈦合金緊固件在俄羅斯已得到普遍使用， 在近幾十年的應用過程中沒有出現任何質量事故。鑒于TC16 鈦合金獨特優(yōu)越性，我國應加快該合金在冷鐓性能、加工技術、生產規(guī)模和應用方向等方面的進一步研究。

隨著我國航空航天事業(yè)迅猛發(fā)展， 對宇航飛行器各項性能要求提高， 近年來有人提出了優(yōu)質緊固件鈦合金[19]，其典型性能如下：剪切強度為τ=860MPa；抗拉強度為R_m=1536MPa； 屈服強度為R_p0.2=1520MPa；伸長率為A=7%。為達到這一目標， 俄羅斯不斷將BT16 改型升級，已經基本達到上述要求，而我國開發(fā)的TC16 鈦合金性能與優(yōu)質緊固件鈦合金性能要求相差甚遠。今后我國TC16 鈦合金以優(yōu)質緊固件鈦合金性能要求為標準，借鑒俄羅斯合金改型經驗，不斷通過技術創(chuàng)新，實現TC16 鈦合金批量生產，廣泛應用于各種領域。目前冷鐓成形的TC16 鈦合金緊固件還能實現多工序連續(xù)自動操作生產，提高緊固件生產效率和材料利用率，在大批量生產中占據絕對優(yōu)勢[20]。

5 、結語

緊固件產業(yè)是工業(yè)發(fā)展的基礎[21]，緊固件用材料選擇是發(fā)展緊固件產業(yè)的首要因素。緊固件用鈦合金用量逐年加大，提高鈦合金強度和韌性，降低鈦合金生產成本必將有助于拓展緊固件用鈦合金應用[22]。作為航空緊固件用首選材料的TC16 鈦合金，憑借良好自身性能、冷成形能力，且緊固件加工過程能實現連續(xù)加工等明顯優(yōu)勢，今后的發(fā)展及應用前景必然廣闊。

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