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航空用钛紧固件(钛合金螺丝)的类型及其发展概述

发布时间:2022-07-10 23:12:18 浏览次数 :

当今,飞机性能的提高越来越依赖于先进材料和先进工艺技术。可以说,钛合金、先进复合材料的使用量,代表了飞机的先进程度。在第3代的苏-27飞机上已大量采用了钛合金材料和铝锂合金材料;在第4代以F-22为代表的飞机上,复合材料的使用超过了30%,钛合金的用量也比较多;民机上复合材料的使用也日益扩大。飞机制造主要考虑以下几个方面:减轻结构重量,防止电化学腐蚀,提高机体的寿命和可靠性以及耐温等综合性能。在现代飞机加工中虽然大量采用整体成形技术(如金属结构的数控加工技术、化铣技术,复合材料结构的共固化技术、RTM 技术等),减少了飞机装配的工作量,焊接及胶接技术的发展也取代了部分机械连接,但飞机装配工作量仍占机体制造总工作量的30%。飞机的连接仍以机械连接为主,且对机械连接提出了更高的要求,在飞机连接装配中大量采用自动钻铆、新型紧固件、干涉配合等技术。新型紧固件主要采用钛合金,国外多年的应用实践证明,在飞机上采用钛合金紧固件加干涉配合,能提高接头强度,大大提高结构的疲劳寿命(提高2~5倍)和简化结构密封,在民机上使用可使结构重量减轻4%。国外,如美国、法国等航空发达国家,从50年代便开始研制、生产钛合金紧固件,经过40多年的历程,已经发展了多种满足各种使用要求的钛合金紧固件,供应了世界上多种型号飞机的装配。

1、航空钛合金紧固件

钛合金紧固件拉伸强度一般为1000~1500MPa,相当于30CrMnSiA钢调整质后的强度,钛紧固件的抗剪强度与合金钢也属同一量级,但密度仅为钢的58%,因此,在国外先进飞机上,30CrMnSiA钢紧固件已基本上由钛紧固件代替。由于比强度较高(可达到高强铝合金的比强度),耐温达350℃,电位较低,抗疲劳、抗切口敏感性好,热膨胀系数小,无磁性,钛紧固件在飞机的铝合金结构、钛合金结构、复合材料结构上都可以大量采用。

现代飞机采用多种钛合金紧固件,主要有普通钛螺栓、干涉螺栓、特种紧固件等。

(1)螺纹钛紧固件主要有:普通钛螺栓、高锁螺栓、艾迪螺栓系统等。

·普通钛螺栓:按头型分为沉头(100°,130°)螺栓、六角螺栓、十二角螺栓、十二角法兰螺栓等。100°沉头螺栓有多种槽形,如菲利普十字槽、高扭矩十字槽、三翼槽、高扭一字槽、康尼高扭一字槽等形式。杆径有间隙型的、干涉型的。

·高锁螺栓:它是一种可单面安装的螺纹紧固件,是飞机上大量使用的紧固件之一,按受力可分为抗拉型、抗剪型。螺栓有100°沉头和平凸头,抗剪型用铝高锁螺母,抗拉型螺栓采用不锈钢螺母。杆径分为间隙型、干涉型、短螺纹干涉型。螺母按用途分为普通高锁螺母、密封高锁螺母(内有特氟龙垫圈),自对中高锁螺母(用于0.5°~7°斜面安装)。

·艾迪螺栓紧固系统:是第4代螺母系统,其螺栓的螺纹上带有5个槽,螺母上带有3个凸起,凸起在套筒作用下起驱动螺母的作用,还起到安装完毕时夹层达到一定的预载荷后填充到螺栓的螺纹凹槽中的作用。该系统的载荷可控制,不易损伤零件,适宜于复合材料的连接。

(2)干涉紧固件:现代飞机疲劳寿命要求越来越

高,军机寿命5000~8000飞行小时,民机50000飞行小时,因此,需使用除孔壁强化外的干涉配合连接来提高结构的疲劳寿命。在民机上,几乎100%的不可拆卸的传剪紧固件都采用了干涉配合技术。金属结构使用的干涉紧固件,如 MD销钉,干涉高锁螺栓、70°干涉螺栓、干涉环槽钉等,可采用铆枪或拉枪两种方式安装。在复合材料上采用带衬套的干涉环槽钉及近年来发展的HI-LEX紧固件系统。

(3)特种紧固件包括钛环槽钉、单面螺纹抽钉等。

·钛环槽钉:主要用于高传载接头。用于金属结构的有100°沉头、凸头两种,杆径有间隙型、干涉型、加大型。复合材料结构用的钛环槽钉有100°沉头、130°沉头、凸头3种,其中干涉型是带衬套的环槽钉,连接时使用拉枪完成,具有可控的预载荷。

·单面紧固件:是飞机安装常用的紧固件之一,用于安装结构不开敞部位。使用的钛合金大底脚单面紧固件主要用于复合材料结构,有拉拔型、螺纹型两种,如TIMATIC 单面拉钉、COMPOSI-LOKⅡ螺纹抽钉、COMPOSI-BOLT螺纹抽钉等。近年来,美国还发展了带衬套的干涉型螺纹抽钉、最大夹层单面螺纹抽钉。

软芯结构可使用铝套钛环槽钉及 MAF可调紧固件。

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2、国内钛紧固件发展状况

国内近年来,随着研制各种新型飞机及转包生产的需要,也开始使用一些钛合金紧固件,但由于钛紧固件技术发展较晚,大部分钛紧固件基本上依赖进口,进口存在以下问题:一是价格较昂贵;二是由于采购品种较多,造成漏项,或由于夹层的经常变化,使采购供应不上,使研制或生产处在“停工待钉”的状态。“八五”期间国内组织了有关单位对钛合金紧固件制造的关键技术进行了攻关,解决了相关制造技术,目前已研制、开发了多种材料的钛合金紧固件,并得以应用。

国内钛合金紧固件的研制主要是由复合材料的发展需要而发展起来的,随着国内飞机性能的提高及新型号的需要,在金属结构中也开始大量使用钛紧固件,新近研制的飞机每架使用钛紧固件都达到数万件,取得了明显的减重效果。

在西方,如美国、法国等航空发达国家,95%以上的钛合金紧固件都采用国际上公认的Ti-6Al-4V(国内材料牌号TC4)材料制造。国内由于TC4制造的关键技术解决得较晚,先后发展了数种钛紧固件材料,如47121,TB2,Ti-22,Ti-15-3,βⅢ 还有β21s钛合金。目前,国内制造钛紧固件采用最多的材料是TC4和Ti-22,上面提到的后几种材料由于各有其特点,如高的抗氧化能力、高的抗疲劳能力等,它们的使用正在进一步验证。

目前国内可提供的Ti-22螺栓有100°高锁螺栓、平头高锁螺栓、100°沉头螺栓、120°半圆头螺栓、扁圆头螺栓等。Ti-6Al-4V紧固件产品见表1。

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目前,钛合金紧固件可选用的材料主要有国产材料Ti-22、西方与中国的Ti-6Al-4V,还有俄罗斯的BT16,至于选哪种材料作为国产钛紧固件的主要材料体系,要看这种材料能否有稳定的供应渠道、价格及紧固件的性能要求。Ti-22材料只能用于低温场所,如用于树脂基复合材料上;需要耐温达300℃场合只能用Ti-6Al-4V和BT16,BT16的性能比Ti-6Al-4V稍低,性能要求高的紧固件则选用Ti-6Al-4V材料。

近年来,为满足航空发动机高温使用要求,中国航空制造工程研究所研制出了可耐500℃以下高温的TC6(俄罗斯材料BT3-1)钛紧固件,与TC4钛紧固件比,这种材料对温度具有较高的敏感性,其制造更具有挑战性。

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3、结束语

在航空领域大量使用钛合金紧固件,可取得明显的减重效果,在复合材料上使用可防止电化腐蚀。经过几年的努力,我国已能生产多种钛合金紧固件。但由于规格范围有限,种类也不很多,在国外即使是相同用途的紧固件也有多个品种供选择,因此,需要做以下几个方面的工作:

(1)扩大现有紧固件的品种规格范围及生产规模。

目前的品种主要是4,5,6mm,必须形成系列标准化才能满足设计要求。另外,生产能力也仅限于研制及小批量生产,满足不了飞机装配的大批量需求,需通过改造设备及工艺技术能力来提高。

(2)钛紧固件的大批使用必须通过设计的需求牵引、研制的技术推动相互统一来实现。不但在复合材料结构上使用钛紧固件,在金属结构上也要大量选用钛紧固件,才能达到使飞机大幅度减重的效果。为此,设计部门应在可能的部位大胆选用钛紧固件。

(3)研制、开发新材料、新结构的钛合金紧固件,以满足新材料、特殊结构、高寿命、高可靠性的飞机装配需要。有组织有目的地研制,并逐步在飞机上使用。

(4)转包生产需要的钛紧固件量亦很大。目前,国产钛紧固件性能已达到甚至超过国外,为了早日将国产紧固件用到转包生产上,必须尽早通过适航才能替代进口。 

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