钛合金紧固件性能与市场的发展趋势探讨

　　紧固件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”。随着我国航空航天事业的发展，具有密度低、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁等优良性能的钛合金紧固件得到了广泛应用。经过几十年的发展，决定钛合金紧固件性能的材料成型与加工技术累积到了一定的程度，航空航天市场也发展得相对成熟。本文将对未来钛合金紧固件性能与市场的发展趋势做进一步探讨。

　　钛合金紧固件性能趋势之一：超高强度

　　随着我国航空航天事业的发展，新型飞机以及航天飞行器采用的连接技术水平不断提高，对新型紧固件也提出了新要求，它必须具有承受巨大外力而不发生形变断裂的能力。未来研制的抗拉级别在1200~1500 MPa、剪切强度≥750 MPa的超高强钛合金紧固件是发展的趋势之一。

　　钛合金紧固件性能趋势之二：耐高温

　　目前，紧固件用钛合金材料服役温度不高，在航空航天领域，由于新型号飞机以及飞行器的飞行速度不断提高，要求材料的服役温度也随之提高。因此，耐高温钛合金紧固件也是未来的发展趋势，尤其是在航天领域，要求新型高温钛合金材料能够在600~800℃短时服役。通常采用Ti₂AlNb合金替代较重的高温合金，其变形比较严重，而采用Ti₂AlNb合金替代其他钛合金材料还是质量较大，无法满足减重要求。Ti-Al基金属间化合物工艺塑性较差，成熟度较差。所以未来紧固件用高温钛合金材料仍然以近α型和高铝当量的两相钛合金为主。

　　在高温下，钛合金的强度和抗蠕变性能的提高主要依赖于AI、Sn、Zr的固溶强化作用，然而，受到铝当量限制的影响，这些元素的含量不能无限地提高，所以在适当控制Al、Sn、Zr含量的情况下，通过多元素复合合金化进行补充强化来设计钛合金。β稳定化元素Mo对钛合金的高温强度和蠕变强度有固溶强化作用，Nb、Cr和V也有类似的效果。少量β稳定化元素的加入还可以防止合金脆化。此外，钛合金中Si的含量对性能至关重要，加入质量分数0.2%左右的Si后，椭球形硅化物将非均匀、不连续地沉淀于α片边界上，能够有效地阻碍位错的运动，产生弥散强化作用，使合金的抗蠕变性能大大提高。但同时硅化物的出现对合金组织的热稳定性也产生了不利影响，不仅降低合金的塑性，而且会增强合金的有序化程度，促进Ti₃Al相的生成。因此，Si含量应控制在较低水平，一般质量分数不大于0.5%。因此，多元素复合强化仍然是新型高温钛合金材料设计的发展方向。

　　市场发展趋势：航空航天领域需求巨大，汽车市场仍然聚焦高强钢

　　根据波音、空客、商飞和中航工业的预测，在2012~2031年的20年内，中国航空市场飞机需要新增4480架飞机(如表1)，平均每年240架，需求旺盛。

表1 2012~2031年中国民用飞机市场新增需求预测

　　如果按照大型客机C919的标准，每架飞机的钛合金紧固件需求量为20万件，每件80元。这样平均每年我国航空飞机领域的新增市场规模为38.4亿元。因为军用飞机和航天飞机涉及国家机密，这个市场规模暂不做分析。

　　2013 年度中国汽车总销量已经超越2000万辆，良好的汽车销售前景极大地促进了汽车紧固件企业的发展，汽车企业数量较上年增长20%。汽车轻量化、环保、长寿命等方面的要求呼之欲出，但目前汽车紧固件市场仍然聚焦高强钢。原因在于：一是汽车紧固件相对于车身骨架重量占比太小，全铝化的车身骨架减重效果比钛合金化的汽车紧固件减重效果更好；二是同样的高强钢紧固件的市场价格大约仅有钛合金紧固件的六分之一；三是，高强钢的性能目前已经可以满足汽车的使用需求，性能提升往往基于高强钢的技术改进，对钛合金的诉求不是特别大。

　　结语

　　随着我国航空航天事业的发展，新型飞机以及航天飞行器采用的连接技术水平不断提高，飞行器的飞行速度不断提高，要求材料的服役温度也随之提高。超高强度和耐高温是未来钛合金紧固件的发展趋势，而且航空航天的市场规模还会不断加大。汽车紧固件市场仍然会使用高强钢，并在此基础上进行技术改进和提升，未来对钛合金紧固件的需求增长幅度不大。