TC4钛合金紧固件应用

钛合金紧固件

钛合金紧固件主要采用三类材料：第一类是低Mo当量的α-β型两相合金，如Ti-6Al-4V；第二类是亚稳定β合金，有美国的βIII，Ti-44.5Nb，Ti-15-3以及我国的TB2，TB3和TB8；第三类是亚临界成分的α-β型两相合金，如俄罗斯的BT16l。

第一类Ti-6Al-4V是低Mo当量α-β型两相合金，在三类合金中β稳定系数最低(只有0.27)，而铝当量则最高(达到6)。所以在退火状态的β相含量只有7％(体积分数)。它的优点是密度最低，强度和疲劳性能最好，成分最简单，半成品成本最低。但由于室温塑性没有达到足够高，所以加工紧固件时需要采用感应加热进行热镦成形，以及真空固溶处理加时效处理，加工成本较高。

第二类为β合金(如TB2，TB3，TB5，TB8等)，与α-β型合金完全不同，Bβ稳定系数很高，在1.15~1.97范围内，而铝当量则降低到3左右。所以在固溶处理时可获得单一β相，从而能在室温下冷镦成形螺栓和铆钉，加工成本低，缺点是密度高，强度虽与Ti-6Al-4V相当，但疲劳性能不如Ti-6Al-4v，而且成分复杂，半成品成本高。由于同样需要进行真空时效处理，所以成品紧固件的成本仍要高于Ti-6Al-4V，而使用温度也比Ti-6Al-4V低。

第三类是BT16合金的密度比Ti-6Al-4V要略高一些，但显著低于β合金。BT16合金β稳定系数为0.83，介于上述两类之间，接近临界成分(β稳定系数为1)。在β稳定元素和Ti组成的二元合金中，随着β稳定元素含量的增加，晶粒尺寸逐渐减小，在l临界浓度附近，α相和β相数量相等，晶粒尺寸达到最小。稳定元素进一步增加时，晶粒尺寸增加。较小的p晶粒和在退火状态下高达25％(体积分数)的β相含量决定了BT16合金具有优异的室温T艺塑性。所以BT16合金具备了室温条件下完成紧固件头部的快速镦粗的条件，即冷镦。

紧固件钛合金的应用

Ti-6A1-4V是一种中等强度的α-β型两相钛合金，具有优异的综合性能，半成品规格齐全，有棒材、锻件、厚板、薄板、型材和丝材等。该合金长时间工作温度可达400℃，在航空和航天工业中获得了最广泛的应用，是美国和西欧各国在航空和航天部门应用的主要紧固件材料。

俄罗斯钛合金紧固件主要采用BT16钛合金。BT16合金属于Ti-Al-Mo-4V系α-β型高强钛合金，主要半成品是热轧棒材和冷镦用磨光棒、丝材，主要用于制造紧固件，如螺栓、螺钉、螺母和铆钉等。最高工作温度350℃。该合金在固溶时效状态下的强度比Ti-6Al-4V合金稍低．主要优点是在退火状态下可以冷镦成形，因而明显提高了生产效率以冷变形方式制造的紧固件在俄罗斯的机械制造业得到广泛应用，也是俄罗斯航空和航天部门应用的主要标准件材料，在本国的某些型号飞机上也得到应用。

该合金有两种使用状态：冷变形强化不进行热处理和热镦成形加固溶时效处理。

钛合金紧固件优点

(1) 密度小。钛合金的密度显著小于钢铁材料的密度，所以钛合金紧固件比钢制紧固件材料质量轻。

(2) 比强度高。钛合金是常见金属材料中比强度较高的金属材料。利用比强度高的优点，也可以采用钛合金替代质量较轻的铝合金材料，当外加载荷相同情况下，钛合金零部件的几何尺寸更小，能有效地节省空间，这种材料利用理念对航空航天领域具有十分重要的意义。

(3) 熔点高。钛合金的熔点显著高于钢铁材料，所以钛合金紧固件的耐热性比钢制紧固件耐热性好。

(4) 热膨胀系数和弹性模量小。钛合金材料的热膨胀系数和弹性模量比镍合金和钢铁材料小，在相同温度变化区间内，钛合金产生的热应力很小，所以钛合金具有较高的热疲劳性能。

(5) 无磁。钛合金的磁导率十分小，几乎可以忽略，所以钛合金紧固件都是无磁的，能够有效防止磁场的干扰。奥氏体不锈钢也是无磁的，但后续冷加工会增加其磁性，而钛合金的热或冷加工均不改变其磁性，这使得钛合金可以应用在航电设备中。

(6) 屈强比高。承受拉伸载荷的紧固件设计临界强度标准就是屈服强度，其次才是抗拉强度，因为一旦紧固件产生屈服变形，就会失去紧固作用。

(7) 电极电位与碳纤维复合材料相匹配。在紧固件上，钛合金用量十分巨大的重要原因就是钛合金电极电位与碳纤维复合材料电极电位相匹配，有效阻止了电偶腐蚀现象的出现。

(8)钛合金还具有优异的耐蚀性、较高的蠕变抗力等优点。