钛合金紧固件加工工艺进展

      紧固件是将两个或者两个以上的构件紧密连接的机械零件的总称。为人们所熟知的紧固件包括：螺栓、螺柱、螺钉、螺母、垫圈、铆钉等。对它们的性能要求会随着应用场景的不同而产生很大的差异。在飞机上使用的紧固件必须具有高减重、耐腐蚀、无磁性与复合材料相容性好的特质。因此，钛合金成为符合各项指标的首选材料。我国钛合金紧固件的研制起步较晚，开始于20世纪60年代中期的成都飞机设计研究所，近些年，高端产品仍然依赖进口。随着钛合金紧固件国产化进程的加快，进一步梳理钛合金紧固件加工工艺进展就显得很有意义。

合适的固溶时效+热机械处理工艺使钛合金强韧化

在提高钛合金材料强度的研究过程中，国内外也非常重视热机械处理工艺和组织性能稳定性控制等技术，如在对TIMETAL-LCB、Ti-153、β-215和BT22等高强度钛合金的强韧化机理研究中发现，合适的固溶时效+热机械处理工艺可以得到细小(尺寸约为10μm)而均匀分布的α+β细晶组织，获得超高强度(抗拉强度1500~1600MPa )和塑性(延伸率8%)的最佳匹配。

热变形工艺：温度、变形量、轧制速度不宜过高或者过低

      合理的热变形工艺对获得具有良好组织和综合力学性能的棒丝材具有重要影响。棒丝材生产过程中的热变形工艺包括了加热温度、变形量和轧制速度等。

      例如，为了使得BT16合金晶界α相充分破碎为片状组织，变形前加热温度的选择应能够保证热变形在β相区开始并在两相区结束，即加热温度应在T_β以上，但不宜过高，温度过高导致变形在β相区结束，晶界α相无法充分破碎。变形量对组织的影响也很重要，若变形量过大(≥70%)，片状组织容易发生球化且导致变形不均匀。若变形量过小(≤30% )，则变形难以保证组织充分细化。轧制速度对组织影响与变形量类似，速度过快，容易出现过热组织，过慢则不利于组织细化。

       螺旋轧制比纵向轧制工艺处理棒丝材更具优势

目前，棒丝材的轧制方法主要包括了纵向轧制法和螺旋轧制法。采用纵向轧制法时易使得棒材产生强烈变形中心区。而螺旋轧制不仅使棒材在纵向而且在径向均能产生流动的剪切变形，有助于获得均匀的组织。因此，目前大多采用螺旋轧制工艺来获得组织和综合性能优异的棒丝材。

钛合金紧固件制造流程主要包括：紧固件头部成形、螺纹成形及头下圆角挤压，其次还包括：热处理、无心磨削、表面处理等。首先，紧固件头部成形需采用墩锻成形设备完成，成形方式主要包括冷墩和热墩。随着墩锻工艺的不断发展，墩锻设备已向数控化发展。如各国相关厂家开发的多模成形用墩机，从送料及切料长度、加热温度及调整、加工效率、模具及推杆位置设定等均可实现数字调整，优化加工质量，并可根据不同品种采用不同加工工艺，提高加工效率。

螺纹加工工艺随尺寸大小而变

航空紧固件对螺纹的精度要求高，质量要求严。外螺纹的成形方法一般包括搓丝法、滚丝法和车削法等。由于车削法会将金属流线切断，降低紧固件的力学性能。因此，目前主要采用搓丝法和滚丝法制备紧固件外螺纹。对于小规格紧固件，一般采用数控温搓丝机来实现。温搓丝过程涉及紧固件的软化与硬化，可较好地改善丝板应力状态，减少崩牙的可能，使工件折迭减小，满足钛紧固件的质量要求。对大规格紧固件，一般采用数控温滚丝机来实现，除上述优点外，数控温滚丝机与传统机械滚丝机比，还具有设定速度快、质量易控制等优点。外螺纹的成形大多采用数控滚丝机，实现滚丝质量的监控功能，满足高效生产需要。另外，钛合金材料对缺口敏感性强，在紧固件头杆连接部位存在较大的应力集中，影响紧固件性能。因此，需将螺栓头部下的圆角进行强化。目前，大多采用高效圆角强化机作用在头杆过渡处形成一条塑性变形带，通过产生残余压应力、提高硬度、减小表面粗糙度来提高连接处的机械强度与疲劳强度。

除此之外，紧固件的制备流程还包括了车削加工、表面涂覆、自动化缺陷检测等。且随着对紧固件性能要求的持续提高，其加工工艺也需不断地进行改进。

中南大学邱敬文团队采用粉末冶金方法制备钛合金零部件，可以实现钛合金紧固件直接加工成本降低20%-30%，工艺流程缩短60%-70%，间接成本大幅降低。期望价格120元/kg（以钛合金棒材为例）。

他们已制备出的烧结态钛合金力学性能为σ_b=1013.28MPa，σs= 899MPa，δ=5.02%。通过热变形后的室温力学性能为：σ_b=1200.59MPa，σ_s= 1111.57MPa，δ=11.13%，ψ=25.4%。相关性能已经超过GJB 2219-94和GB-T2965-2007的标准要求。

结语

    目前，高强紧固件用钛合金材料及紧固件制造工艺成熟度偏低。但随着航空航天产业和高端汽车产业的不断发展，我国对钛合金紧固件特别是超高强度钛合金紧固件的需求将会持续增长，因此加快高强紧固件用钛合金材料及应用技术研究，尽快形成我国钛合金紧固件材料体系已迫在眉睫。