在航空领域，早在20世纪50年代，钛合金Ti-6Al-4V紧固件被美国最早应用于B-52轰炸机上，随后如苏联、法国等航空发达国家，也紧跟着开始了自己的钛合金紧固件研制与生产。

而我国起步较晚，在20世纪70十年代，有相关单位开始开展了钛合金铆钉的研究；20世纪80年代，有少量的钛合金螺栓和铆钉应用于第二代军用飞机上；

20世纪90年代后期，随着我国引进国外第三代重型战斗机生产线和国产第三代战斗机的自主制造，渐渐深入了对钛合金紧固件的研究。

而近年来，我国航天事业大规模发展，各单位部门都开始了大量的钛合金材料和工艺的研究，在航天航空领域，军用和民用飞机上，钛合金紧固件也都得到了大量的应用，据相关资料，C919飞机需钛合金紧固件约20万件左右。

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钛存在两种同素异构形式a和b，钛的密度小（4.51），强度质量比高，熔点高，高温下高强度质量比能保持到550～600oC附近；

耐蚀性能较好，在室温下能够形成一层极好保护性能的钝化层；低温性能很好，在液氮温度下也能保持良好的塑性和韧性；导热系数与热膨胀系数较低，使用时容易产生温度梯度，不利于热加工。

通常条件下，根据合金元素成分和常温组织形貌将钛合金大致分为三类：

a-钛合金

显微组织是a组织，含有a相稳定元素和中性强化元素，例如Al元素，纯钛是典型的a钛，典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-1V

b-钛合金

显微组织是b组织，有大量的b相稳定合金元素，如V、Ni、Mo等，其室温强度可以达到a+b 钛合金的水平，并且同时能够拥有更优秀的工艺性能，但是在高温下，其性能更差。典型代表有TB3（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al ）、TB5（Ti-15V - 3Cr-3Sn-3Al）等。

a+b 钛合金

同时含有较多的a相和b相稳定元素，具有a+b相混合组织结构，经过特殊热处理后能够达到很高的强度水平。目前航空领域使用最广泛的就是a+b 钛合金TC4（Ti-6Al-4V）。

相较与常规紧固件，由于航空行业上紧固件服役环境的特殊性，对其各方面性能要求普遍更高。在航空行业中，为了提高飞机的能源使用效率，优化机身架构，减轻整体质量，在各部件的材料的选择上，都追求轻量化和高比强度。

其次，由于飞机在飞行过程中承担的高风险，对于零部件质量一致性、均匀性的要求极高。值得注意的是，服役过程中频繁的交变应力是导致零件失效的最主要原因，航天紧固件材料选用时对于疲劳性能的要求也特别高。

另外，服役过程中因为飞行高度变化导致的温度跨度，以及发动机内部的高温环境，相较于普通紧固件，航天紧固件一般要求更高的服役温度。面临诸多不利因素，钛合金是在航天紧固件特别理想的结构材料。

经过国际上多年的发展，TC4（美国牌号：Ti-6Al-4V）是目前航天钛合金紧固件使用最广泛的材料，大约占所有钛合金紧固件中的95%，也是我国钛合金紧固件生产和研发的主要方向。

TC4（美国牌号：Ti-6AI-4V）

美、法于上世纪50年代开始钛合金紧固的研发，Ti-6Al-4V最早美国应用于B-52轰炸机，苏联应用于伊尔76，替代了之前使用的30CrMnSiA钢。

TC4是a+b两相合金，密度低，强度和疲劳性能十分优异，最高使用温度300 oC～350 oC。到了21世纪，国外生产技术成熟，有了健全上下游产业链，质量控制体系过关，符合航空紧固件对于均匀性和一致性的高要求，主要应用在飞机的舱段、襟翼等重要结构连接以及发动机上。

TC4中要求各元素化学成分含量如下表所示：

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表一 TC4各化学元素成分及含量

从组织形貌结构上来看，同时含有较多的a相形成元素Al和第二类b稳定元素，属于a+b两相合金。

在低于相变温度下进行热处理会获得晶粒尺寸、形状不均匀的a+b两相钛合金，晶界上容易产生连续和不连续a相，晶界内会有点状、针状、球状a相存在。

一般来说，退火态的TC4是由初生a相和a+b相所组成的混合物，通过固溶时效处理，可以有效的消除或者减少连续a相晶界，从而提高材料的抗拉强度和疲劳强度。

时效处理时，亚稳态b相的形成对疲劳强度的提升作用十分显著。根据[9]表明，当温度低于a+b与b相转变温度时，随着固溶温度的提高，能够获得更多的等轴组织，而转变组织占比减少。

当温度超过a+b与b相转变温度时，得到粗大的片状组织、初始b晶粒，也有原始b晶粒转变形成的长条状交错组织，在晶界有着a相析出。

最终实验结果表明，在时效温度为500 oC的情况下，材料的抗拉强度随着固溶温度先升高后下降，在960oC左右能够达到最高值1120MPa左右。

而材料的断面收缩率在经过固溶时效处理后只有略微提升，从退火态时的12%提升到了14%。材料的冲击韧性则随着固溶温度的提高而单调略微下降。

TC4原材料的从海绵钛到最终丝材盘元的制备大致可以分为提纯混合、熔炼控制、轧制、丝材加工和表面润滑这五个阶段。

1、提纯混合

将回收重复利用的钛屑分解成碎片，再通过碱洗、水洗、磁吸等工艺将混料中的油污以及铁屑等杂质去除。在这过程中，不需要有一道严格执行的回收控制程序来保证回收利用的钛的一致性。

2、熔炼控制

包括了多次熔炼步骤，主要分为两类，EB（电子束）熔炼和VAR炉（真空电弧自耗炉）熔炼。EB炉熔炼时，大量取样进行成分分析，能够严格控制原料的化学成分。VAR炉能有效去除钛锭中的杂质和气体。

3、轧制阶段

第一步是进行大规格的钛锭轧制，在通过感应加热至相变点后先轧成方形棒材，再轧成的圆形棒材。第二步轧制是将的圆棒直接轧制到的圆盘，然后校直定型切断。

4、丝材加工

经过退火处理后的轧制圆盘料通过旋转车削、抛光、冷拉、卷盘工艺，最终制成盘元。过程中进行电子涡流探伤，标记有裂纹部分，方便后续去除。

5、表面润滑

目的是为了满足后续镦锻工艺的的成型要求，减小材料与磨具表面的摩擦力。表面润滑工艺往往容易忽视，但是对后续紧固件加工阶段影响很大，润滑层的质量需要严格管控，最关键的两个性能参数是粘结力、厚度。

由于TC4的室温塑性较差，若使用冷镦成型，材料十分容易开裂，报废率极高。而在高温下，TC4钛合金材料塑性较好，TC4钛合金紧固件的成型加工过程需要通过高频感应加热至650 oC～800 oC之间进行温镦成型。

但是，温镦过程中材料对于温度的变化十分敏感，若温度低于650 oC，材料的成形能力不足以满足生产必须形变量，在零件的头部、法兰面等部位容易出现材料开裂。若温度高于800 oC，则会出现过烧现象，内部组织发生变化，影响后续热处理性能。

另外，TC4盘元线材硬度也较常规冷镦用退火状态的低碳钢高很多，在生产过程中若工业设计不当，很容易缩短模具寿命，增加质量控制的难度。

比如，容易对磨具表面造成损伤，影响产品表面尺寸和质量，一般通过特定的表面润滑和合理的公差设计来解决。另外，冲模成型时所需要的冲压更大，容易给模具造成疲劳损伤，影响模具的使用寿命。

另外，每一道工序对前道工序产品的质量要求也十分严格，若在某一道工序生产的产品质量不合格并且没有及时发现而进入下一道工序，很容易损害机器设备并且造成大批量的报废，需要一个周全、紧密、完善、严格的闭环管理控制体系保障整体生产线的运行。

总体上来看，极高的质量要求必然提高生产成本，包括质量管理成本、研发成本、设备成本等在内，TC4钛合金航天紧固件的较普通碳钢紧固件高2～3倍。如何合理、科学的缩减成本也是未来钛合金紧固件研发的一大方向。

TC16（俄罗斯牌号BT16）

TC16也是a+b两相合金，在有着高强度的同时，也有良好的常温塑性以及淬透性，疲劳和焊接性能好，应力集中敏感性小，经固溶时效处理之后强度可达1030MPa以上，能够在室温下冷镦连续生产，极大提高了生产效率。

TC16最早由俄罗斯研制而出，在长期的使用过程中，对其成分控制、加工工艺、成型方式三者之间的配合控制，有着十分丰富的经验，并且使用了氢处理技术使得能够使用冷镦工艺完成产品的成型过程。

已经在俄罗斯得到了大规模使用，并且几十年内没有出现过任何质量事故，目前在我国国内仅仅在军事领域得到应用，尚未普及至民用。

TC16是一种富b相马氏体a+b两相合金，也被能被定义为Ti-3Al-5Mo-4.5V。和TC4一样Al元素提高了b相转变温度，增强了固溶强化效果。

Mo、V等元素稳定b相，提高了材料的强度和硬度。退火处理后TC16材料能够保持良好的塑性和剪切应力，保证冷镦生产的进行。

而根据我国有关科研人员研究文献表明，TC16线材在分别经过冷镦和热镦成型后，再固溶时效热处理，得到的产品组织和硬度值都十分接近，这是因为热处理过程中能够消除之前成型过程中因为应力和温度带来的组织差异。

而冷镦较热镦所得产品成本较低，表面质量较好，因此对于TC16，冷镦成型是一个十分理想的工艺。

TB2钛合金

TB2钛合金是一种亚稳定β型钛合金，合金名义成分为Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V。在固溶状态下，TB2钛合金具有优异的冷成形性能和焊接性能。

目前，主要用作制造卫星波纹壳体、星箭连接带及各类冷镦铆钉以及螺栓，尤其是TB2钛合金铆钉已经在航空航天领域重点型号产品上得到大量应用。

TB3钛合金

TB3钛合金[4]是一种可热处理强化的亚稳定β型钛合金，合金名义成分为Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al。该合金的主要优点是固溶处理状态具有优异的冷成形性能，其冷镦比可达2.8，合金固溶时效后可获得较高的强度，主要用于制造1100MPa级高强度航空航天紧固件。

TB5钛合金是一种亚稳定β型钛合金，其名义成分为Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。TB5钛合金有优异的冷成形性能，可以与纯钛的冷成形能力媲美。固溶后，可进行多种紧固件的冷成形;时效后室温抗。

拉强度可达1000MPa。波音公司已经将TB5钛合金紧固件应用在波音飞机上，我国也采用TB5钛合金制造与歼击机伞梁和卫星波纹板配套使用的冷镦铆钉。

TB8钛合金

TB8钛合金是一种亚稳定β21S钛合金，其名义成分为Ti-3Al-2.7Nb-15Mo。这种钛合金具有优异的冷热加工性能、淬透性好，同时具有优异的抗蠕变性能和抗腐蚀性能。

由于该合金采用了高熔点、自扩散系数小的同晶型β稳定元素Mo和Nb，所以TB8钛合金具有较高的高温抗氧化性能，其抗氧化性能比Ti-15-3合金高100倍，具体数据见下表。目前，TB8钛合金高强螺栓已经广泛应用于我国航空领域重点型号产品上。

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TB8与Ti-15-3钛合金氧化数据比较

Ti-45Nb合金

Ti-45Nb合金属于一种稳定β型钛合金，是一种铆钉专用钛合金材料。最初，铆钉用钛合金材料主要以纯钛为主，但是纯钛紧固件强度太低，在一些高承载部位，纯钛紧固件无法满足要求，所以急需一种塑性接近于纯钛，而强度高于纯钛的钛合金材料，常用的亚稳定β型钛合金变形抗力大，室温塑性与纯钛相差较大。

后来，人们研制出了Ti-45Nb合金，这种合金室温塑性高，室温伸长率可达20%，断面收缩率高达60%，冷加工能力十分优异。与纯钛相比，Ti-45Nb合金具有较高的抗拉强度和剪切强度，分别达到450MPa和350MPa。