钛合金紧固件以其重量轻、比强度高、耐腐蚀、抗高温、抗疲劳等优良综合性能，广泛应用于飞机机体连接结构中，从战斗机到运输机再到民用航空飞机，单架飞机钛合金紧固件使用量从几万件到几十万件，有的飞机使用量高达70～80万件。目前，1100MPa强度等级的Ti-6Al-4V钛合金紧固件是飞机机体铝合金、钛合金、复合材料结构使用的数量最大及种类最多的紧固件。并且Ti-6Al-4V钛合金被公认为是综合性能最好的一种钛合金⋯。随着钛合金紧固件使用数量的增加，钛合金丝材需求量逐年增加，目前全世界全年使用钛合金紧固件用丝材和棒材的数量约为2000t。对航空钛合金紧固件用丝棒材，由于紧固件制造要求越来越严格，对航空钛合金紧固件制造用的材料性能和质量提出了更高的要求，

甚至比飞机其他部位使用的棒材、板材等钛合金材料要高。目前，我国多种新型飞机项目均在进行大刀阔斧的研制，中国正向飞机制造大国进军，进而带动国内钛合金紧固件需求量的大幅提升。由于航空用钛合金材料加工技术要求高，产品附加值也高，航空钛合金紧固件用丝棒材成为国内多个厂家研发生产的对象，但由于历史原因和各自的设备条件及技术水平的限制，国内仍需在较多方面开展深入研究，以保证产品质量的一致性，才能满足钛合金紧固件生产对丝材提出的要求。本文从航空紧固件标准要求人手，针对航空钛合金紧固件丝材加工设备、性能和质量要求进行剖析，并提出了钛合金丝材质量控制要求。

1、钛合金紧固件标准及丝材标准要求

采用丝材制造的Ti-6Al-4V钛合金紧固件绝大多数要求进行固溶时效热处理，以满足抗拉强度1100MPa、抗剪强度660MPa的性能要求。对钛合金制造的紧固件，除进行外观检查外，还需要进行冶金检查和机械性能检查，冶金检查主要包括头部流线、螺纹流线、金相组织、污染和过热等，而机械性能检查要求进行抗拉强度、剪切强度、疲劳、应力持久等试验，因此紧固件标准要求材料具有较高的性能及质量要求，在这些紧固件技术条件中要求材料满足美国AMs4967标准(退火、可热处理的钛合金棒材、丝材、锻件和环形件)或等 同于该标准所提出的要求。

美国AMS4967标准在材料的尺寸、公差、外观、金相、机械性能、缺陷的控制等方面均有要求，并有较高的质量一致性要求。对质量一致性这项要求，足以使得材料在制造过程中必须进行极为严格的控制，如果在组织上、性能上一件有问题，就有可能造成整批报废。对钛合金紧固件，并不是机械性能越高越好，相应技术条件对加工质量一致性也提出了较高的要求，钛合金丝材的一致性是保证产品的合格性的基础，其性能必须控制在一定范围之内，这就要求必须按照SPC(StatisticalProcess contml)的控制流程进行丝棒材生产。

2、钛合金丝棒材加工质量控制

2.1国外丝材质量状态

在国内，中航工业制造所是最早进行多种钛合金紧固件研发并应用于多种机型的研究单位，在生产中长期使用进口钛合金丝棒材，通过使用发现，从国外进口的钛合金丝材具有较好的质量一致性，如图1所示。可见，φ4～φ10mm的丝棒材在退火状态下的抗拉强度、淬火后的抗拉强度和剪切强度均具有较高的一致性，且退火状态供应的丝棒材具有较高的抗拉强度，接近钛紧固件要求的最小抗拉强度值1100MPa。另外，国外进口丝材在金相组织上都具有较好的一致性，如图2所示，为等轴α+转变β组织，晶粒细小、均匀。而国产材料在轧制过程中由于成分、工艺等原因，会造成内部组织分布不均，甚至出现带状组织，如图3所示，微观组织的不一致将导致宏观上抗拉、剪切等性能的不一致性。

由材料复验以及热处理后钛合金材料的性能和组织可以看出，进口钛合金丝棒材具有较好的质量一致性，根据分析以及从国外现场考查的情况可以得出：虽然钛合金丝棒材各种化学成分含量在标准中均有规定，但在实际生产中，为了保证质量一致性和较高的性能指标要求，国外材料生产厂商对各种化学成分的控制都有内控的企标要求，以保证各成分含量控制在较小的波动范围之内，由化学成分试验可以验证这一点；另外，在生产过程中国外材料生产厂商在保证丝棒材变形量一致性以及避免缺陷如裂纹、折迭、杂质、偏析的产生等方面进行了严格的控制。

2.2生产质量控制及生产过程要求

钛合金紧固件用丝棒材生产过程是一个全面的质量控制过程，除保证尺寸、机械性能和内部组织外，还需对缺陷进行严格的控制，对于前者易于达到，而要做到防止缺陷发生和控制剔出缺陷以及保证不同批次之间质量稳定性是较难实现的，不能单纯依靠检测实现，这就必须做到在源头即开始对缺陷进行控制，并将控制渗透到材料成分、铸锭控制以及最终生产出产品的各个环节中。同时，生产过程不能依靠人工保证产品的质量，必须是自动化的过程，即在材料提纯、原材料混合、铸锭生产、大规格棒材轧制、小规格丝棒材轧制、棒材加工、丝材拉拔、表面涂润滑剂等方面均采用自动化设备及工艺技术，并配套相应的化学成分、性能与组织检测条件，只有这样才能保证钛丝棒材加工质量。

2.2.1原材料提纯和混合

材料成分的配备有两种方法：一是采用海绵钛加Al、V、O等成分进行配置；二是采用钛屑加海绵钛，然后再添加Al、v、0元素进行配置。由于目前世界上钛矿越来越少，采用第二种方法可保证绝大多数钛屑能得到重复利用，提高了材料的使用率，但是采用这种工艺必须极其慎重，需要有一套严格的钛屑回收程序，以绝对保证所回收钛屑的同一性。回收的钛屑需要进行提纯：首先，将大块钛屑分解成碎片，离心去除大部分油污，并在此时将钛屑分成大、中、小屑；其次，进行碱洗，清水清洗，并将钛屑烘干，再次将钛屑分成大、中、小屑；最后，采用磁铁将可能存在的铁屑等(如断折的刀头等)去除，此时的钛屑就可以作为原材料进行混合。

将适当比例的钛屑加适量的海绵钛、再加入Al、V元素进行充分混合，压制成一定大小的坯料，就可作为EB炉(电子束冷床炉)熔炼原材料。

2.2.2钛锭熔炼控制

钛锭生产过程(如图4所示)主要包括两次熔炼：首先采用EB炉进行第一次熔炼，然后采用VAR炉(真空电弧自耗炉)进行第二次熔炼。在进行EB炉熔炼时，需在每隔200mm处取样进行化学成分分析，达到对整个铸锭成分进行控制的目的，从而确保材料合格及满足一致性要求。

2.2.3大规格钛锭轧制

为减少氧化，在大规格钛锭轧制过程中采用感应方法进行加热，达到相转变点温度后进行轧制，形成一定尺寸的方形钛棒，经检测去除表面裂纹后，方形钛棒再经感应加热轧制轧成φ100mm圆形钛棒，在此基础上便可进行后续小尺寸圆丝材的轧制，上述过程均通过计算机控制而实现自动化生产。

2.2.4小规格棒丝材轧制

从φ100mm圆棒可直接轧制到西6mm盘圆，这个过程全部采用计算机自动化控制(如图5所示)，在轧制过程中采用两个梯次的感应加热并经多道反复轧扁、轧圆、轧三角、轧圆的复合过程，在轧制出口处采用激光对尺寸进行检测并进行周向涡流探伤，对有缺陷的材料部位进行涂覆标记，以便随后可去除缺陷部位。

2.2.5钛棒加工

国内钛棒加工大都采用电阻加热拉直的方法，该方法可能造成加热温度不一致而产生批内不同根材料及同一根材料不同部位密度和性能不一致性，因此这种方法在航空钛棒材加工中不宜采用。而真正能够满足质量一致性要求的加工是：退火状态的圆盘料在多滚冷轧校直下成形并定尺切断，通过带自动补偿的数控无心磨床进行最终尺寸加工，在自动涡流仪上进行裂纹检测。

2.2.6丝材加工

经退火处理的轧制圆盘料需在专用车削拉拔机上加工成丝材，在加工过程中采用旋转车削工艺，并在表面抛光后进行冷拉，采用涡流进行探伤，对存在问题的部分进行标识，以便后续进行去除，最后将拉出的丝材进行卷盘，以满足包装尺寸要求。

2.2.7丝材的表面润滑

在钛合金紧固件加工过程中，需采用热镦工艺镦制出各种头型，为满足脱模要求并防止材料与模具粘连，丝材表面必须进行润滑，从而保证生产顺利进行。润滑要求较为严格，厚度和粘结力必须合适，否则将影响产品质量，为此需采用专用干膜润滑剂及涂覆技术。

3、结论

钛合金紧固件用丝棒材的生产过程是一个全方面质量控制的过程，应将缺陷消灭在源头即策划中，并在生产中加人多道检测控制。为满足产品尺寸和质量的一致性要求，需在各道工序质量一致性及生产自动化方面进行严格的控制和执行：首先，需将材料成分控制在标准规定的范围内以保证高性能和一致性；其次，在生产中需保证各种规格尺寸变形的一致性；再次，在原材料提纯及混合、铸锭生产、大规格棒材轧制、小规格丝棒材轧制、棒材加工、丝材拉拔、表面涂润滑剂等过程均要实现自动化控制，只有这样才能保证产品质量的均匀一致，满足航空航天紧固件产品在质量一致性方面提出的要求。

参考文献

[1]张全纯，汪裕炳.瞿履和，等.先进飞机机械连接.北京：兵器工业出版社.2000：134.

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