航空用钛合金螺丝常用的钛材料牌号及其特点

钛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”。我国著名的ARJ21-700飞机总设计师吴光辉先生也盛赞紧固件“数以万计，类以群分，连结构，接系统，小物大为。按种类可将紧固件分为螺栓、螺钉、螺柱、螺母、木螺钉、自攻螺钉、垫圈、铆钉、销、挡圈、链接副和紧固件组合件等13大类；根据应用领域，将紧固件分为一般用途紧固件和航空航天紧固件。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紧固件；在航天领域，飞行器部段之间的连接也要靠紧固件连接。随着装备轻量化发展，越来越多的航空航天紧固件青睐于钛合金材料。在国外，钛合金紧固件的应用历史可追溯到20世纪50年代，美国率先将Ti-6Al-4V螺栓应用于B-52轰炸机，取得了显著的减重效果，钛合金紧固件在航空航天领域的应用由此发端。目前，美国、法国等欧美发达国家，钛合金紧固件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紧固件已经完全替代了30CrMnSiA钢。美国C-5A军用运输机采用钛合金紧固件后，质量减轻4500kg左右；民用机波音747紧固件以钛替代钢后，质量减轻1814kg。俄罗斯钛合金紧固件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940kg的BT16钛合金紧固件，质量减轻688kg；伊尔-76飞机用钛合金紧固件14.2万件，质量减轻600kg。

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紧固件；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紧固件；近年来，随 着我国航空航天事业的发展，各单位相继开展了紧固件用钛合金材料的研制和紧固件制造工艺技术研发，钛合金紧固件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飞机约需钛合金紧固件20万件，按计划2018年年产150架大飞机计算的话，每年需要3000万件钛合金紧固件。

以下为几种航空用钛紧固件（钛合金螺丝）的钛合金材料。

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，紧固件用钛合金材料大多数是TC4钛合金。TC4钛合金制造紧固件时，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。

针对高强紧固件，TC4钛合金紧固件强度不能满足要求，合金固溶时效后的抗拉强度最高达到1100MPa，剪切强度在650MPa左右，由于TC4钛合金淬透性差，固溶时效时，TC4钛合金紧固件截面尺寸一般在19mm以下。TC4钛合金紧固件包括螺栓、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。在紧固件制造方面，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钛合金紧固件有螺栓、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，可进行多种紧固件的冷成形；时效后室温抗拉强度可达1000MPa。波音公司已经将TB5钛合金紧固件应用在波音飞机上，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，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。

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。

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450MPa和350MPa。

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