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航空用钛合金螺丝的发展趋势

发布时间:2021-02-13 23:00:20 浏览次数 :

钛合金螺丝作为一种重要的通用基础件, 在工业中具有举足轻重的作用, 被称为“工业之米”。按种类可将钛合金螺丝分为螺栓、螺钉、螺柱、螺母、木螺钉、自攻螺钉、垫圈、铆钉、销、挡圈、链接副和钛合金螺丝-组合件等13大类; 根据应用领域, 将钛合金螺丝分为一般用途钛合金螺丝和航空航天钛合金螺丝。在航空领域, 飞机的连接方式仍以机械连接为主, 飞机的连接装配依靠大量的各类钛合金螺丝; 在航天领域, 飞行器部段之间的连接也要靠钛合金螺丝连接。随着装备轻量化发展, 越来越多的航空航天钛合金螺丝青睐于钛合金材料。在国外, 钛合金螺丝的应用历史可追溯到20世纪50年代, 美国率先将Ti-6Al-4V合金螺栓应用于B-52轰炸机, 取得了显著的减重效果, 钛合金螺丝在航空航天领域的应用由此发端。

钛合金螺丝

目前, 美国、法国等欧美发达国家, 钛合金螺丝95%以上都采用国际上公认的Ti-6Al-4V材料制造, 一些先进机型用的钛合金螺丝已经完全替代了30CrMnSiA钢。美国C-5A军用运输机采用钛合金螺丝后, 质量减轻4 500 kg左右; 民用机波音747钛合金螺丝以钛替代钢后, 质量减轻1 814 kg。俄罗斯钛合金螺丝和合金体系已经应用于伊尔-76、伊尔-86、伊尔-96、图-204、安-72和安-124等机型中, 明显减轻了飞机质量。例如图-204飞机上采用了940 kg的BT16钛合金螺丝, 质量减轻688 kg; 伊尔-76飞机用钛合金螺丝14.2万件, 质量减轻600 kg。我国钛合金螺丝的研制历史可以追溯到1965年, 20世纪70年代相关单位进行了钛合金铆钉及应用研究工作; 20世纪80年代, 我国部分第二代军用飞机上开始使用铆钉和螺栓等少量钛合金螺丝; 20世纪90年代后期, 随着国外第三代重型战斗机生产线的引进和国产第三代战斗机的研制, 我国开始使用了一些钛合金螺丝; 近年来, 随着我国航空航天事业的发展, 各单位相继开展了钛合金螺丝用钛合金材料的研制和钛合金螺丝制造工艺技术研发, 钛合金螺丝率先在航空航天领域中大量应用, 在民机上的用量也十分可观。据资料显示, 每架国产C919飞机约需钛合金螺丝20万件, 按计划2018年年产150架大飞机计算的话, 每年需要3 000万件钛合金螺丝。有关航空用钛合金螺丝的未来发展趋势,中扬金属结合相关资料整理如下:

1、超高强度钛合金螺丝

随着我国航空航天事业的发展, 新型飞机以及航天飞行器采用的连接技术水平不断提高, 对新型钛合金螺丝也提出了新要求。未来研制的抗拉级别在1 200~1 500 MPa、剪切强度≥750 MPa的超高强钛合金螺丝是未来发展的趋势之一。

钛螺栓

2、耐高温钛合金螺丝

目前, 钛合金螺丝用钛合金材料使用温度不高。在航空航天领域, 由于新型号飞机以及飞行器的飞行速度不断提高, 要求材料的服役温度也随之提高。因此, 耐高温钛合金螺丝也是未来的发展趋势, 尤其是在航天领域, 要求新型高温钛合金材料能够在600~800 ℃短时服役。通常采用Ti2AlNb合金替代较重的高温合金, 其变形比较严重, 而采用Ti2AlNb合金替代其他钛合金材料还是较重, 无法满足减重要求; Ti-Al基金属间化合物工艺塑性较差, 成熟度较差。所以未来钛合金螺丝用高温钛合金材料仍然以近α型和高铝当量的两相钛合金为主。在高温下, 钛合金的强度和抗蠕变性能的提高主要依赖于Al, Sn, Zr的固溶强化作用, 然而, 受到铝当量限制的影响, 这些元素的含量不能无限地提高, 所以在适当控制Al, Sn, Zr含量的情况下, 通过多元素复合合金化进行补充强化来设计钛合金。β稳定化元素Mo对高温钛合金的高温强度和蠕变强度有固溶强化作用, Nb, Cr和V也有类似的效果。少量β稳定化元素的加入还可以防止合金脆化。此外, 钛合金中Si的含量对性能至关重要, 加入质量分数0.2%左右的Si后, 椭球形硅化物将非均匀、不连续地沉淀于α片边界上, 能够有效地阻碍位错的运动, 产生弥散强化作用, 使合金的抗蠕变性能大大提高。但是硅化物的出现同时对合金组织的热稳定性也产生了有害影响, 不仅降低合金的塑性, 而且会增强合金的有序化程度, 促进Ti3Al相的生成。因此, Si含量应控制在较低水平, 一般质量分数不大于0.5%。因此, 多元素复合强化仍然是新型高温钛合金材料设计的发展方向。

航空钛合金螺丝

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