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鈦及鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕性好、耐高溫等一系列突出優點,使其發展成為現代航空航天工業中廣有前途的金屬結構材料。自從20世紀50年代美國首次將Ti-6Al-4V鈦合金螺栓應用于B-52型轟炸機上,并取得了非常好的減重效果后,各航空工業發達國家都紛紛展開了鈦合金緊固件的研究及工程應用。
鈦合金緊固件代替大部分比強度較低的鋼制緊固件后,對飛行器減重取得非常顯著的效果。如波音747飛機緊固件以鈦代鋼后,其結構質量減輕了1814kg;俄羅斯的伊爾-96飛機,一架用14.2萬件鈦合金緊固件,較鋼件重量減輕達600kg;一架圖204飛機上采用940kg的BT16鈦合金緊固件,較鋼件減輕688kg[4]。鈦合金的正電位性能恰好與碳纖維復合材料相匹配,有效地防止了緊固件的電偶腐蝕,使鈦合金成為復合材料的最佳連接材料。
因此,隨著先進軍民用飛機鈦合金和復合材料用量的不斷增加,對鈦合金緊固件的需求日益增加。鈦合金比鋁合金的使用溫度高出150~200℃,對于在飛行器結構中因工作溫度過高而不能采用鋁合金緊固件的部位,鈦合金將是一種更好的選擇。此外,鈦合金所固有的良好彈性和無磁性,對防止緊固螺栓的松動和防磁場干擾也具有非常重要的作用。
在美國軍民用飛機上,鈦合金緊固件已基本取代了合金鋼緊固件。國外鈦合金緊固件的應用已經非常普遍,大型民用飛機單機鈦合金緊固件的用量達到數十萬件,同時各類新型的鈦合金緊固件也被不斷地研制開發出來。我國鈦合金緊固件的研制歷史可追溯到1965年,成都飛機設計研究所根據新機需要提出研制鈦合金鉚釘,20世紀70年代相關單位進行了鈦合金鉚釘及應用研究工作,20世紀80年代在我國部分第二代軍用飛機上開始少量使用鈦合金鉚釘、螺栓等緊固件。
20世紀90年代后期,隨著國外第三代重型戰斗機生產線的引進和國產第三代戰斗機的研制,以及大量航空轉包生產業務的開展,我國航空工業中開始使用一些鈦合金緊固件。近年來隨著我國航空航天工業的發展,國內相關單位有針對性地開展了大量基礎材料與緊固件制造技術方面的研究開發工作,目前我國自主研制生產的鈦合金緊固件已經在我國的改型飛機和新設計的飛機中獲得了大量工程應用。
雖說我國航空用鈦合金緊固件的研究及應用起步較晚,都是在航空發動機或飛機的仿制、技術借鑒或引進改進過程中被動進行的,制造緊固件的鈦合金材料基本都是借鑒或仿制俄羅斯(前蘇聯)、美國的,同時我們國家航空緊固件中鈦合金緊固件的占有量相對較低。隨著我國航空工業的迅速發展及對飛行器性能要求的不斷提高,未來高性能航空緊固件對其制造鈦合金材料提出了更高強度、更高斷裂韌性、更高疲勞性能要求。
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