緊固件作為一種重要的通用基礎(chǔ)件，在工業(yè)中具有舉足輕重的作用，被稱為“工業(yè)之米”。我國著名的ARJ21-700飛機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝先生也盛贊緊固件“數(shù)以萬計(jì)，類以群分，連結(jié)構(gòu)，接系統(tǒng)，小物大為”。隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁等優(yōu)良性能的鈦合金緊固件得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，決定鈦合金緊固件性能的材料成型與加工技術(shù)累積到了一定的程度，航空航天市場也發(fā)展得相對成熟。本文將對未來鈦合金緊固件性能與市場的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步探討。

　　鈦合金緊固件性能趨勢之一：超高強(qiáng)度

　　隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，新型飛機(jī)以及航天飛行器采用的連接技術(shù)水平不斷提高，對新型緊固件也提出了新要求，它必須具有承受巨大外力而不發(fā)生形變斷裂的能力。未來研制的抗拉級別在1200~1500 MPa、剪切強(qiáng)度≥750 MPa的超高強(qiáng)鈦合金緊固件是發(fā)展的趨勢之一。

　　鈦合金緊固件性能趨勢之二：耐高溫

　　目前，緊固件用鈦合金材料服役溫度不高，在航空航天領(lǐng)域，由于新型號飛機(jī)以及飛行器的飛行速度不斷提高，要求材料的服役溫度也隨之提高。因此，耐高溫鈦合金緊固件也是未來的發(fā)展趨勢，尤其是在航天領(lǐng)域，要求新型高溫鈦合金材料能夠在600~800℃短時(shí)服役。通常采用Ti₂AlNb合金替代較重的高溫合金，其變形比較嚴(yán)重，而采用Ti₂AlNb合金替代其他鈦合金材料還是質(zhì)量較大，無法滿足減重要求。Ti-Al基金屬間化合物工藝塑性較差，成熟度較差。所以未來緊固件用高溫鈦合金材料仍然以近α型和高鋁當(dāng)量的兩相鈦合金為主。

　　在高溫下，鈦合金的強(qiáng)度和抗蠕變性能的提高主要依賴于AI、Sn、Zr的固溶強(qiáng)化作用，然而，受到鋁當(dāng)量限制的影響，這些元素的含量不能無限地提高，所以在適當(dāng)控制Al、Sn、Zr含量的情況下，通過多元素復(fù)合合金化進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化來設(shè)計(jì)鈦合金。β穩(wěn)定化元素Mo對鈦合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度有固溶強(qiáng)化作用，Nb、Cr和V也有類似的效果。少量β穩(wěn)定化元素的加入還可以防止合金脆化。此外，鈦合金中Si的含量對性能至關(guān)重要，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%左右的Si后，橢球形硅化物將非均勻、不連續(xù)地沉淀于α片邊界上，能夠有效地阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，使合金的抗蠕變性能大大提高。但同時(shí)硅化物的出現(xiàn)對合金組織的熱穩(wěn)定性也產(chǎn)生了不利影響，不僅降低合金的塑性，而且會增強(qiáng)合金的有序化程度，促進(jìn)Ti₃Al相的生成。因此，Si含量應(yīng)控制在較低水平，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.5%。因此，多元素復(fù)合強(qiáng)化仍然是新型高溫鈦合金材料設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

　　市場發(fā)展趨勢：航空航天領(lǐng)域需求巨大，汽車市場仍然聚焦高強(qiáng)鋼

　　根據(jù)波音、空客、商飛和中航工業(yè)的預(yù)測，在2012~2031年的20年內(nèi)，中國航空市場飛機(jī)需要新增4480架飛機(jī)(如表1)，平均每年240架，需求旺盛。

表1 2012~2031年中國民用飛機(jī)市場新增需求預(yù)測

　　如果按照大型客機(jī)C919的標(biāo)準(zhǔn)，每架飛機(jī)的鈦合金緊固件需求量為20萬件，每件80元。這樣平均每年我國航空飛機(jī)領(lǐng)域的新增市場規(guī)模為38.4億元。因?yàn)檐娪蔑w機(jī)和航天飛機(jī)涉及國家機(jī)密，這個(gè)市場規(guī)模暫不做分析。

　　2013 年度中國汽車總銷量已經(jīng)超越2000萬輛，良好的汽車銷售前景極大地促進(jìn)了汽車緊固件企業(yè)的發(fā)展，汽車企業(yè)數(shù)量較上年增長20%。汽車輕量化、環(huán)保、長壽命等方面的要求呼之欲出，但目前汽車緊固件市場仍然聚焦高強(qiáng)鋼。原因在于：一是汽車緊固件相對于車身骨架重量占比太小，全鋁化的車身骨架減重效果比鈦合金化的汽車緊固件減重效果更好；二是同樣的高強(qiáng)鋼緊固件的市場價(jià)格大約僅有鈦合金緊固件的六分之一；三是，高強(qiáng)鋼的性能目前已經(jīng)可以滿足汽車的使用需求，性能提升往往基于高強(qiáng)鋼的技術(shù)改進(jìn)，對鈦合金的訴求不是特別大。

　　結(jié)語

　　隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展，新型飛機(jī)以及航天飛行器采用的連接技術(shù)水平不斷提高，飛行器的飛行速度不斷提高，要求材料的服役溫度也隨之提高。超高強(qiáng)度和耐高溫是未來鈦合金緊固件的發(fā)展趨勢，而且航空航天的市場規(guī)模還會不斷加大。汽車緊固件市場仍然會使用高強(qiáng)鋼，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和提升，未來對鈦合金緊固件的需求增長幅度不大。