Титановые сплавы для крепежных элементов в аэрокосмической отрасли
Крепежные элементы можно классифицировать по типу на 13 основных категорий: болты, винты, шпильки, гайки, шурупы по дереву, самонарезающие винты, шайбы, заклепки, штифты, стопорные кольца, соединительные пары и крепежные узлы. В зависимости от применения крепежные элементы делятся на крепежные элементы общего назначения и крепежные элементы для аэрокосмической отрасли. В авиационной отрасли соединения в самолетах по-прежнему в основном механические, и сборка самолетов в значительной степени опирается на различные крепежные элементы. В аэрокосмической отрасли соединения между компонентами самолета также зависят от крепежных элементов. С развитием легковесного оборудования все большее число крепежных элементов в аэрокосмической отрасли отдается предпочтение титановым сплавам.
(1) Низкая плотность. Плотность титановых сплавов значительно ниже, чем у стали, поэтому крепежные элементы из титановых сплавов легче стальных.
(2) Высокая удельная прочность. Титановые сплавы относятся к металлам с самой высокой удельной прочностью. Используя это преимущество, титановые сплавы могут заменить более легкие алюминиевые сплавы. При одинаковой внешней нагрузке компоненты из титановых сплавов имеют меньшие геометрические размеры, что позволяет эффективно экономить пространство. Эта концепция использования материала имеет большое значение для аэрокосмической отрасли.
(3) Высокая температура плавления. Температура плавления титановых сплавов значительно выше, чем у стали, поэтому крепежные элементы из титановых сплавов обладают лучшей термостойкостью, чем стальные крепежные элементы.
(4) Низкий коэффициент теплового расширения и модуль упругости.
Использование титановых сплавов для крепежных элементов тесно связано с процессом изготовления и применением крепежных элементов. С одной стороны, процесс изготовления крепежных элементов из титановых сплавов включает в себя три основных этапа: во-первых, пластическую деформацию, такую как осадка, уменьшение диаметра и накатка резьбы; во-вторых, упрочнение поверхности, такое как упрочнение переходной зоны между опорной поверхностью болта и прямым стержнем; и, наконец, механическую обработку, такую как токарная обработка, фрезерование и шлифовка. С другой стороны, различные области применения крепежных элементов требуют различных характеристик материала, что обуславливает необходимость использования различных титановых сплавов. В качестве примеров рассмотрим заклепки и болты. Заклепки требуют осадки на одном или обоих концах во время установки, поэтому процесс клепки предъявляет высокие требования к пластичности материала. Болты, как правило, требуют высокой прочности, близкой к прочности высокопрочной легированной стали 30CrMnSiA, поэтому обычно используются высокопрочные титановые сплавы. Учитывая эти два фактора, титановые сплавы для крепежных элементов в основном делятся на три категории: промышленный чистый титан, титановые сплавы типа (α+β) и титановые сплавы типа β. Промышленный чистый титан в основном включает TA1 и TA2. Титановые сплавы типа (α+β) в основном включают Ti-6Al-4V, BT3-1 и Ti-662 и др. Титановые сплавы типа β в основном являются метастабильными титановыми сплавами типа β, поскольку молибденовый эквивалент метастабильных титановых сплавов типа β обычно составляет около 10%. Титановые сплавы, близкие к типу β, с молибденовым эквивалентом менее 10%, имеют недостаточный эффект упрочнения при термообработке; Стабильные β-титановые сплавы с молибденовым эквивалентом более 10% обладают более высокой стабильностью β-фазы при термообработке старением и трудно разлагаются, поэтому упрочняющий эффект метастабильных β-титановых сплавов наиболее очевиден. Кроме того, метастабильные β-титановые сплавы обладают превосходной холодной формуемостью, могут быть подвергнуты холодной высадке, не требуют использования профессионального нагревательного оборудования и защитных газов, имеют высокую производительность и эффективность использования материала, а также позволяют получать крепежные изделия с высокой точностью размеров и хорошим качеством поверхности после формовки. Крепежные изделия из α+β-титановых сплавов могут быть изготовлены только методом горячей высадки, что требует специализированного нагревательного оборудования и защитных газов, приводит к низкой производительности и эффективности использования материала, а также склонно к неравномерному нагреву.
Титановый сплав Ti-6Al-4V — это среднепрочный двухфазный титановый сплав, наиболее исследованный и применяемый в настоящее время. Большинство крепежных изделий из титанового сплава Ti-6Al-4V изготавливаются именно из этого материала. При изготовлении крепежных изделий из титанового сплава Ti-6Al-4V используется только горячая осадка, требующая специализированного оборудования для горячей осадки и нагрева, что не только снижает эффективность производства, но и приводит к низкой степени использования материала. Для высокопрочных крепежных изделий прочность титанового сплава Ti-6Al-4V не соответствует требованиям. Максимальная прочность на растяжение после термической обработки достигает 1100 МПа, а прочность на сдвиг составляет около 650 МПа. Из-за низкой закаливаемости титанового сплава Ti-6Al-4V поперечные размеры крепежных изделий из него после термической обработки обычно составляют менее 19 мм. К крепежным изделиям из титанового сплава Ti-6Al-4V относятся болты, высокопрочные болты, шпильки, винты и заклепки с канавками. Большинство болтов из Ti-6Al-4V широко используются в отечественной авиации, двигателях, авиационной технике, космических аппаратах и спутниках.
Титановый сплав BT3-1 представляет собой мартенситный (α+β) двухфазный титановый сплав с превосходными комплексными характеристиками. Номинальный состав сплава — Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si. Этот сплав обычно используется в отожженном состоянии, но может быть упрочнен термической обработкой. Он также обладает хорошей стойкостью к окислению. Титановый сплав BT16 — типичный двухфазный титановый сплав, подвергнутый термической обработке, с номинальным составом Ti-3Al-5Mo-4.5V. После термической обработки этот сплав обладает высокой пластичностью при комнатной температуре, что обеспечивает хорошие характеристики холодной штамповки с соотношением ковки к отсадке 1:4. В производстве крепежных изделий титановый сплав BT16 может подвергаться как холодной, так и горячей штамповке. В настоящее время крепежные изделия из титанового сплава BT16 включают болты, винты и самоконтрящиеся гайки. Титановый сплав TB2 — метастабильный β-типа титановый сплав с номинальным составом Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V. В состоянии после термической обработки титановый сплав TB2 демонстрирует превосходные свойства холодной формовки и сварки. В настоящее время он в основном используется для производства гофрированных оболочек спутников, соединительных полос между спутниками и ракетами, а также различных холоднокованых заклепок и болтов. Заклепки из титанового сплава ТБ2, в частности, широко используются в ключевых изделиях аэрокосмической отрасли. Титановый сплав ТБ5 — это метастабильный β-типа титанового сплава с номинальным составом Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al. Титановый сплав ТБ5 обладает превосходными свойствами холодной формовки, сравнимыми с чистым титаном. После обработки раствором он может использоваться для холодной формовки различных крепежных элементов; после старения его предел прочности при комнатной температуре может достигать 1000 МПа.
В настоящее время рабочая температура титановых сплавов для крепежных элементов невысока. В аэрокосмической отрасли увеличение скорости новых самолетов и космических аппаратов требует более высоких рабочих температур для материалов. Таким образом, высокотемпературные крепежные элементы из титановых сплавов являются перспективным направлением развития, особенно в аэрокосмической отрасли, где требуются новые высокотемпературные титановые сплавы, способные работать при температурах 600-800 °C в течение коротких периодов времени. Хотя сплавы Ti2AlNb обычно используются для замены более тяжелых высокотемпературных сплавов, они подвержены значительной деформации. Кроме того, использование сплавов Ti2AlNb вместо других титановых сплавов все еще приводит к чрезмерному увеличению веса, не соответствующему требованиям по снижению веса. Дополнительно, интерметаллические соединения на основе Ti-Al обладают низкой пластичностью и ограниченной технологической зрелостью. Поэтому будущие высокотемпературные титановые сплавы для крепежных элементов будут в первую очередь ориентированы на двухфазные титановые сплавы, близкие к α-типу, и с высоким алюминиевым эквивалентом. При высоких температурах прочность и сопротивление ползучести титановых сплавов в основном зависят от упрочнения твердого раствора Al, Sn и Zr. Однако, ограниченное алюминиевым эквивалентом, содержание этих элементов не может быть бесконечно увеличено. Таким образом, путем соответствующего контроля содержания Al, Sn и Zr, многоэлементное композитное легирование используется для дополнения и упрочнения титановых сплавов. β-стабилизирующий элемент Mo оказывает упрочняющее воздействие на твердорастворную прочность и ползучесть высокотемпературных титановых сплавов, а Nb, Cr и V оказывают аналогичное воздействие. Добавление небольшого количества β-стабилизирующих элементов также может предотвратить охрупчивание сплава. Кроме того, содержание Si в титановых сплавах имеет решающее значение для их характеристик. Добавление приблизительно 0,2% Si по массе приводит к неравномерному и прерывистому осаждению эллипсоидальных силицидов на границах α-пластин, эффективно препятствуя движению дислокаций и создавая дисперсионное упрочнение, тем самым значительно улучшая сопротивление ползучести сплава. Однако присутствие силицидов также оказывает негативное влияние на термическую стабильность микроструктуры сплава, не только снижая пластичность сплава, но и увеличивая его упорядоченность и способствуя образованию фазы Ti3Al. Следовательно, содержание кремния следует контролировать на низком уровне, как правило, не превышающем 0,5% по массе. Таким образом, упрочнение многоэлементных композитов остается перспективным направлением развития при проектировании новых высокотемпературных титановых сплавов.