航空用钛合金螺丝的常用的钛合金材料牌号与力学性能

钛合金螺丝用钛合金材料与钛合金螺丝的制造工艺和用途密切相关。一方面, 钛合金螺丝的制造工艺主要包括3部分:首先, 塑性变形, 例如顶镦、减径和滚螺纹等; 其次, 表面强化, 例如螺栓承力面与直杆过渡区的强化等; 最后, 机械加工, 例如车、铣和磨等。另一方面, 钛合金螺丝的用途不同, 所需材料的性能要求也不同, 这就需要使用不同的钛合金材料。以铆钉和螺栓为例, 铆钉在安装过程中需要一端或者两端镦头, 所以铆接过程对材料的塑性要求较高。螺栓一般要求具有较高的强度, 其强度水平与30CrMnSiA高强度合金钢接近, 所以通常采用高强钛合金材料。综合以上两方面的因素, 钛合金螺丝用钛合金材料也主要分为工业纯钛、(α+β)型和β型钛合金三类, 具体见表 2。由表 2可知, 工业纯钛主要是TA1和TA2。(α+β)型钛合金主要包括TC4, TC6和Ti-662等。β型钛合金以亚稳定β型钛合金为主, 这是因为亚稳定β型钛合金钼当量一般在10%左右。钼当量小于10%的近β型钛合金热处理强化效果不足; 钼当量大于10%的稳定β型钛合金在时效热处理过程中, β相稳定性会较高, 难以分解, 所以亚稳定β型钛合金材料的强化效果最明显。此外, 亚稳定β型钛合金具有优异的冷成形性, 可以进行冷镦, 避免采用专业的加热设备和气体保护介质, 生产效率和材料利用率高, 成形后的钛合金螺丝尺寸精度高、表面质量好。而(α+β)型钛合金钛合金螺丝只能采用热镦成形, 需要专门的加热设备和气体介质, 生产效率和材料利用率低, 也容易出现加热温度不均匀的现象。

表1 钛合金螺丝用钛合金材料

表2和表3分别列出了铆钉和螺栓用钛合金材料的力学性能。由表 3可知, 铆钉用纯钛抗拉强度在350 MPa以上, 剪切强度在240~350 MPa; (α+β)型钛合金铆钉以退火态使用, β型钛合金在固溶态使用, 且两种合金的抗拉强度基本相同, 为800~950 MPa, 剪切强度在600 MPa以上。螺栓用钛合金材料除了TC4钛合金以外, 全部是亚稳定β型钛合金, 且都在固溶+时效态使用, 除了TB8, TB9和Ti-555合金材料的抗拉强度能达到1 200 MPa以上, 大部分β型钛合金的抗拉强度一般都为1100 MPa左右, 剪切强度为650~700 MPa。

表2 铆钉用钛合金材料的力学性能

表3 螺栓用钛合金材料固溶时效的力学

几种钛合金螺丝用重要钛合金材料

1）TC4钛合金

TC4钛合金是一种中等强度的两相钛合金, 也是研究和应用最多的钛合金材料, 钛合金螺丝用钛合金材料大多数是TC4钛合金。TC4钛合金制造钛合金螺丝时, 只能采用热镦, 且必须采用专门的热镦设备和加热设备, 不但影响生产效率, 且材料利用率较低。针对高强钛合金螺丝, TC4钛合金钛合金螺丝强度不能满足要求, 合金固溶时效后的抗拉强度最高达到1 100 MPa, 剪切强度在650 MPa左右, 由于TC4钛合金淬透性差, 固溶时效时, TC4钛合金钛合金螺丝截面尺寸一般在19 mm以下。TC4钛合金钛合金螺丝包括螺栓、高锁螺栓、抽钉、螺钉和环槽铆钉等, 其中TC4大多数螺栓已经在国内飞机、发动机、机载设备、航天飞行器和卫星中获得了大量应用。

2）TC6钛合金

TC6钛合金是一种综合性能优异的马氏体型(α+β)型双相钛合金, 名义成分为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si, 该合金一般在退火状态下使用, 也能通过热处理进行强化, 还具有良好的抗氧化性能。

3）TC16钛合金

TC16钛合金是典型的固溶时效强化型两相钛合金, 名义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V。固溶处理后, 该合金具有较高的室温塑性, 所以具有良好的冷镦性能, 镦锻比达到1：4。在钛合金螺丝制造方面, TC16钛合金既可以直接冷镦成形, 也可以采用热镦成形。目前, TC16钛合金钛合金螺丝有螺栓、螺钉和自锁螺母等。

4）TB2钛合金

TB2钛合金是一种亚稳定β型钛合金, 合金名义成分为Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。在固溶状态下, TB2钛合金具有优异的冷成形性能和焊接性能。目前, 主要用作制造卫星波纹壳体、星箭连接带及各类冷镦铆钉以及螺栓, 尤其是TB2钛合金铆钉已经在航空航天领域重点型号产品上得到大量应用。

5）TB3钛合金

TB3钛合金是一种可热处理强化的亚稳定β型钛合金, 合金名义成分为Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。该合金的主要优点是固溶处理状态具有优异的冷成形性能, 其冷镦比可达2.8, 合金固溶时效后可获得较高的强度, 主要用于制造1100MPa级高强度航空航天钛合金螺丝。

6）TB5钛合金

TB5钛合金是一种亚稳定β型钛合金, 其名义成分为Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。TB5钛合金具有优异的冷成形性能, 可以与纯钛的冷成形能力媲美。固溶后, 可进行多种钛合金螺丝的冷成形; 时效后室温抗拉强度可达1 000 MPa。波音公司已经将TB5钛合金钛合金螺丝应用在波音飞机上, 我国也采用TB5钛合金制造与歼击机伞梁和卫星波纹板配套使用的冷镦铆钉。

7）TB8钛合金

TB8钛合金是一种亚稳定β21S钛合金, 其名义成分为Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。这种钛合金具有优异的冷热加工性能、淬透性好, 同时具有优异的抗蠕变性能和抗腐蚀性能。由于该合金采用了高熔点、自扩散系数小的同晶型β稳定元素Mo和Nb, 所以TB8钛合金具有较高的高温抗氧化性能, 其抗氧化性能比Ti-15-3合金高100倍, 具体数据见表4。目前, TB8钛合金高强螺栓已经广泛应用于我国航空领域重点型号产品上。

表4 TB8与Ti-15-3钛合金氧化数据

8）Ti-45Nb合金

Ti-45Nb合金属于一种稳定β型钛合金, 是一种铆钉专用钛合金材料。最初, 铆钉用钛合金材料主要以纯钛为主, 但是纯钛紧固件强度太低, 在一些高承载部位, 纯钛紧固件无法满足要求, 所以急需一种塑性接近于纯钛, 而强度高于纯钛的钛合金材料, 常用的亚稳定β型钛合金变形抗力大, 室温塑性与纯钛相差较大。后来, 人们研制出了Ti-45Nb合金, 这种合金室温塑性高, 室温伸长率可达20%, 断面收缩率高达60%, 冷加工能力十分优异。与纯钛相比, Ti-45Nb合金具有较高的抗拉强度和剪切强度, 分别达到450 MPa和350 MPa。