在航空領(lǐng)域,早在20世紀(jì)50年代,
鈦合金Ti-6Al-4V緊固件被美國最早應(yīng)用于B-52轟炸機(jī)上,隨后如蘇聯(lián)、法國等航空發(fā)達(dá)國家,也緊跟著開始了自己的
鈦合金緊固件研制與生產(chǎn)。
而我國起步較晚,在20世紀(jì)70十年代,有相關(guān)單位開始開展了鈦合金鉚釘?shù)难芯浚?0世紀(jì)80年代,有少量的鈦合金螺栓和鉚釘應(yīng)用于第二代軍用飛機(jī)上;
20世紀(jì)90年代后期,隨著我國引進(jìn)國外第三代重型戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)線和國產(chǎn)第三代戰(zhàn)斗機(jī)的自主制造,漸漸深入了對鈦合金緊固件的研究。
而近年來,我國航天事業(yè)大規(guī)模發(fā)展,各單位部門都開始了大量的鈦合金材料和工藝的研究,在航天航空領(lǐng)域,軍用和民用飛機(jī)上,鈦合金緊固件也都得到了大量的應(yīng)用,據(jù)相關(guān)資料,C919飛機(jī)需鈦合金緊固件約20萬件左右。
鈦存在兩種同素異構(gòu)形式a和b,鈦的密度小(4.51),強(qiáng)度質(zhì)量比高,熔點(diǎn)高,高溫下高強(qiáng)度質(zhì)量比能保持到550~600oC附近;
耐蝕性能較好,在室溫下能夠形成一層極好保護(hù)性能的鈍化層;低溫性能很好,在液氮溫度下也能保持良好的塑性和韌性;導(dǎo)熱系數(shù)與熱膨脹系數(shù)較低,使用時容易產(chǎn)生溫度梯度,不利于熱加工。
通常條件下,根據(jù)合金元素成分和常溫組織形貌將鈦合金大致分為三類:
a-鈦合金
顯微組織是a組織,含有a相穩(wěn)定元素和中性強(qiáng)化元素,例如Al元素,純鈦是典型的a鈦,典型的鈦合金有Ti-8Al-1Mo-1V
b-鈦合金
顯微組織是b組織,有大量的b相穩(wěn)定合金元素,如V、Ni、Mo等,其室溫強(qiáng)度可以達(dá)到a+b 鈦合金的水平,并且同時能夠擁有更好的工藝性能,但是在高溫下,其性能更差。典型代表有TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al )、TB5(Ti-15V - 3Cr-3Sn-3Al)等。
a+b 鈦合金
同時含有較多的a相和b相穩(wěn)定元素,具有a+b相混合組織結(jié)構(gòu),經(jīng)過特殊熱處理后能夠達(dá)到很高的強(qiáng)度水平。目前航空領(lǐng)域使用最廣泛的就是a+b 鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)。
相較與常規(guī)緊固件,由于航空行業(yè)上緊固件服役環(huán)境的特殊性,對其各方面性能要求普遍更高。在航空行業(yè)中,為了提高飛機(jī)的能源使用效率,優(yōu)化機(jī)身架構(gòu),減輕整體質(zhì)量,在各部件的材料的選擇上,都追求輕量化和高比強(qiáng)度。
其次,由于飛機(jī)在飛行過程中承擔(dān)的高風(fēng)險,對于零部件質(zhì)量一致性、均勻性的要求極高。值得注意的是,服役過程中頻繁的交變應(yīng)力是導(dǎo)致零件失效的最主要原因,航天緊固件材料選用時對于疲勞性能的要求也特別高。
另外,服役過程中因?yàn)轱w行高度變化導(dǎo)致的溫度跨度,以及發(fā)動機(jī)內(nèi)部的高溫環(huán)境,相較于普通緊固件,航天緊固件一般要求更高的服役溫度。面臨諸多不利因素,鈦合金是在航天緊固件特別理想的結(jié)構(gòu)材料。