钛及钛合金因其密度轻、比强度大、耐蚀性好、无磁性、可焊接和温度适应范围广等优异性能，常是制作航空钛螺丝（钛紧固件）的首选材料。钛制紧固件能减轻飞机质量，且是钛合金、碳纤维复合材料等结构件必须的连接件[1-2]。随各国航空业的飞速发展，钛合金紧固件用量不断增加，以计划于2014 年首飞的国产商用大飞机C919 为例，单机钛合金紧固件用量达20 万件以上，按2018 年达到年产150 架计算，总需求量达3000 万件，常用钛合金紧固件如图1 所示。目前国内外钛合金紧固件的应用比较普遍且对质量要求越来越高，选择合适的钛合金材料至关重要。紧固件用钛合金材料主要有以下几类： 第一类为工业纯钛(TA1、TA2)，即α 型钛合金；第二类为β 型钛合金，常用的有我国的TB3、TB2-1、美国的β-C等[3]；第三类为α-β 两相钛合金，典型合金为TC4(Ti-6A1-4V)、俄罗斯的BT16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)[4-5]。
工业纯钛主要用于强度要求不高而耐蚀性能较好的部位，市场需求量有限；β 型钛合金相比于综合性能优越的α-β 两相钛合金已无优势可言，现已不是航空紧固件用重点材料；α-β 两相钛合金中的TC4、TC16 ( 相近牌号BT16， 国产TC16 和俄产BT16 钛合金化学成分(wt%)对比如表1 所示)各有优势，广泛用于紧固件的制造。TC4 是国际公认综合性能最好且应用最广泛的钛合金之一[5]，具有优异综合性能和良好工艺特性， 但不高的室温塑性要求加工紧固件时需要采用感应加热进行热镦成形及真空固溶处理加时效处理， 生产成本和工作量大致是按冷变形工艺制造类似紧固件的2～3 倍，加工量大且成本偏高[6]。在加工制造业提高生产效率和降低生产成本要求下，今后发展必然受限。针对不同使用条件和工艺要求， 我国相关专业人员将俄罗斯常用紧固件材料BT16 改型，获得TC16 合金，其综合性能与TC4 相近且多采用冷变形方式制造紧固件，今后更具发展潜力。
1、 TC16 钛合金的研究现状
TC16 钛合金具有高塑性、高强度、良好淬透性，同时抗疲劳和焊接性能好，对应力集中敏感性小等优点；真空固溶处理温度仅为800℃，比TC4 合金要低150℃， 合金经固溶时效处理后强度可达1030MPa以上；该合金常采用冷镦方式制造螺栓、螺钉、铆钉等，紧固件在160℃以下无限期使用，最高工作温度在350℃左右[7]。TC16 钛合金是制造航空钛合金螺丝最理想的材料之一。在BT16 钛合金材料长期使用过程中， 俄罗斯更注重于实践研究， 在该合金成分控制、加工工艺和成形性能等方面研究较深入，已利用氢处理技术将BT16 合金大直径螺栓生产由热镦改为冷镦[8]。国内对TC16 合金更偏重于基础研究，在该合金热处理工艺与性能的关系、轧制拉拔工艺及冶炼工艺等方面做了一些探索研究，如吴崇周等[9-11]系统分析了退火制度、固溶时效热处理、冷变形强化等因素对TC16 合金组织和性能的影响； 张志强等[12]研究了淬火温度对TC16 合金显微组织和变形行为的影响；杨扬等[13]基于Johnson-Cook 模型拟合分析了TC16 合金不同压力条件下的真应力-真应变曲线，获得动态本构关系，较好地预测TC16 钛合金的流变应力。孙中刚[14]阐述了置氢TC16 钛合金亚稳相变及其室温变形行为。我国TC16 钛合金经相应热处理后的各项力学性能指标已达到俄产BT16 钛合金的水平，但两者在冷镦性能上有明显差距。TC16
合金优势在于能冷镦成形， 通过控制轧制工艺得到片状显微组织的钛棒材，然后优化冷镦工艺，提高该合金紧固件冷镦成形率是今后重要的研究方向[15]，国产TC16 和俄产BT16 显微组织对比见图2。
2 、TC16 钛合金材料特征分析
TC16 钛合金是一种富β 相马氏体型α-β 两相钛合金，定义成分为Ti-3Al-5Mo-4.5V，其中Al 元素能提高β 相转变温度，通过固溶强化作用，增加钛合金强度和热塑性；Mo、V 等元素能提高合金中β相的稳定性，从而提高合金的强度和硬度[15]。TC16钛合金退火后可消除残余应力， 组织多变为等轴组织，随着退火温度和冷却速度的降低，可使合金获得
高强度和高塑性，延长退火保温时间，可降低合金强度；固溶时效处理时，降低时效处理温度和缩短时效时间，提高固溶温度，可相应提高合金强度，相反可改善合金塑性[16-17]。
冷镦变形量减小，会降低合金强度，提高塑性，但对合金的冷镦性能没有太大影响，冷镦变形能力与显微组织、热塑性、剪切强度等密切相关。高品质航空紧固件对所选材料要求严格，TC16 钛合金在对开轧温度、道次变形量、轧制速度和热处理制度等因素进行严格控制后可得到晶粒细小、分布均匀、α 相充分破碎的片状显微组织，完全满足紧固件用钛合金的要求。
3、 TC16 钛合金紧固件加工方法概述
以前常采用车削法制造紧固件， 由于其成本高，生产效率低逐渐被镦制工艺所取代， 现在金属紧固件的加工方法多采用镦制工艺。镦制又分冷镦与热镦，TC16钛合金螺丝既能采用冷镦法直接制备，又可通过热镦法进行后续固溶时效热处理。冷镦工艺不需加热设备，生产效率高，工序简单、成本较低，可实现高效化生产，与热镦处理相比，冷变形强化紧固件的强度偏低；热镦工艺变形抗力小，紧固件强度高， 但坯料加热不均匀，易出现局部过烧或过热，真空淬火表面易氧化，工序复杂，效率偏低，成本高；工业生产紧固件多将冷镦与热镦相结合的工艺路线[18]， TC16 钛合金紧固件多以冷镦加热处理强化工艺进行生产。
4、 航空紧固件用TC16 钛合金发展问题及新动态
国内航空紧固件用材料比较单一， 一直以来倾向于使用国外验证成功且加工技术成熟的材料，如纯钛及TC4。我国对TC16 钛合金的生产和加工工艺不够成熟[18]，开发的TC16 钛合金更是由于钛棒线材轧制生产线落后、技术设备能力不足、冷镦成形困难等原因，规模化生产和应用受到限制，国内等轴组织的TC16 虽能满足力学性能要求， 但合金冷镦
成形率不高， 有关部门仍在不断优化TC16 各项组织性能。然而TC16 钛合金紧固件在俄罗斯已得到普遍使用， 在近几十年的应用过程中没有出现任何质量事故。鉴于TC16 钛合金独特优越性，我国应加快该合金在冷镦性能、加工技术、生产规模和应用方向等方面的进一步研究。
随着我国航空航天事业迅猛发展， 对宇航飞行器各项性能要求提高， 近年来有人提出了优质紧固件钛合金[19]，其典型性能如下：剪切强度为τ=860MPa；抗拉强度为Rm=1536MPa； 屈服强度为Rp0.2=1520MPa；伸长率为A=7%。为达到这一目标， 俄罗斯不断将BT16 改型升级，已经基本达到上述要求，而我国开发的TC16 钛合金性能与优质紧固件钛合金性能要求相差甚远。今后我国TC16 钛合金以优质紧固件钛合金性能要求为标准，借鉴俄罗斯合金改型经验，不断通过技术创新，实现TC16 钛合金批量生产，广泛应用于各种领域。目前冷镦成形的TC16 钛合金紧固件还能实现多工序连续自动操作生产，提高紧固件生产效率和材料利用率，在大批量生产中占据绝对优势[20]。
5 、结语
紧固件产业是工业发展的基础[21]，紧固件用材料选择是发展紧固件产业的首要因素。紧固件用钛合金用量逐年加大，提高钛合金强度和韧性，降低钛合金生产成本必将有助于拓展紧固件用钛合金应用[22]。作为航空紧固件用首选材料的TC16 钛合金，凭借良好自身性能、冷成形能力，且紧固件加工过程能实现连续加工等明显优势，今后的发展及应用前景必然广阔。
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