淺析超聲速飛行器緊固件的選用方法

陳龍，馬俊飛，閆景玉，王再玉，金佳超

（中航工業洪都，江西南昌，330024）

淺析超聲速飛行器緊固件的選用方法

陳龍，馬俊飛，閆景玉，王再玉，金佳超

（中航工業洪都，江西南昌，330024）

隨著超聲速飛行器飛行馬赫數的不斷提高，以及鈦合金材料在飛行器結構中的使用比重日益增加，傳統合金結構鋼緊固件已經無法滿足使用要求，本文從高溫熱膨脹和電偶腐蝕兩個方面，對緊固件選用合理性進行分析，可為高溫環境下緊固件的選用提供參考。

超聲速；緊固件；鈦合金；預緊力；電偶腐蝕

0 引言

隨著超聲速飛行器飛行速度不斷提高，其結構材料的選型也逐漸趨向于輕量化，使輕質、高強、耐腐蝕的材料，得到了更廣泛的研究和應用。而鈦及鈦合金的密度小,又具有高的熱強性和持久強度，對在振動載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴展的敏感性低，并且有良好的耐蝕性，因此，在發動機及殼體結構中優先采用高強度的鈦及鈦合金[1-2]。

針對結構材料的變化，傳統合金鋼材料緊固件已經無法滿足超聲速飛行器國內某技術標準的需要，本文從熱膨脹和電偶腐蝕兩方面，分析不同基體、夾層材料如何選擇合適材料的緊固件。

1 熱膨脹對螺紋連接的影響

對于螺釘、螺栓、螺樁，在受到工作載荷之前，為了增強連接的可靠性和緊密性，以防止受到載荷后連接件間出現縫隙或者相對滑移而預先加的軸向拉力，稱為預緊力。本質是由于螺釘、螺栓、螺樁拉伸彈性變形產生的應力[1]。

由于超音速飛行器國內某技術標準表面工作溫度高，普遍超過300℃，因此，夾層、基體、螺釘都會產生熱膨脹，如果三個部分使用的材料不同，那么由于熱膨脹系數不同，升高相同的溫度，沿螺釘軸向的伸長量也會不同，影響到產生預緊力的應變的大小，從而影響預緊力的大小。

圖1為典型螺釘連接結構，當夾層1與緊固件為異種材料時，由于兩者熱膨脹系數不同，將導致緊固件在工作溫度下預緊力發生改變，甚至失效。

根據圖1，設夾層1、夾層2、緊固件的平均線膨脹系數分別為α1、α2、α3，緊固件的彈性模量為E3。當溫度升高，夾層、螺釘均會發生熱膨脹，對圖所示結構分別進行軸向受力分析如下。

在非工作狀態下，圖示結構僅受初始預緊力的作用，設為F0。設預緊力導致的螺栓軸向伸長量為Δl0，螺紋應力面積為AS（見表1），則有：

圖1 螺釘、螺栓連接結構示意圖

表1 粗牙螺紋螺栓（螺釘、螺樁）的應力截面積

表2 常用金屬材料線膨脹系數

由于F0為拉力，因此設伸長為正，壓縮為負。設當溫度升高Δt℃，夾層1、夾層2、緊固件的膨脹量分別為Δl1、Δl2、Δl3，則有：

由于溫度升高造成的螺釘相對伸長量為：

則造成的預緊力變化量為：

則升溫后預緊力變為：

對于額外增加防松處理（如打保險）的緊固件，其最小預緊力保證大于0即可。

對于未增加防松處理的緊固件，預緊力的大小根據螺栓組受力和連接的工作要求決定。一般情況下，規定擰緊緊固件的預緊應力不大于其屈服強度σS的80%[3]。

下面對不同材料連接結構各取一種典型情況進行分析。

表3 典型連接形式

對表3中4組連接形式，分別選取緊固件直徑為M6，材料分別為30CrMnSiA、Ti-6A1-4V進行分析。典型工作溫度取400℃。線膨脹系數等如下表4。

表4 相關參數

根據計算可得：

從表5可以看出，當夾層與緊固件均為同種材料時，由于材料線膨脹系數一致，因此不會導致預緊力的變化。但是，當夾層與緊固件為異種材料時，預緊力都發生了不同程度的變化。尤其是1中預緊力減少了5098N，變化率達到-38.6%，預緊力損失嚴重。

當緊固件材料的線膨脹系數大于夾層的線膨脹系數時，尤其要注意預緊力的損失可能會造成高溫工作環境下緊固件的失效。當夾層材料不一致時，要充分分析不同線膨脹系數材料的緊固件的影響，選擇最優的緊固件材料。

表5 高溫條件預緊力變化量（400℃）

2 電偶腐蝕對螺紋連接的影響

由于鈦合金的電位較正，當它與其他金屬連接組成組合件時，鈦合金會引起與之接觸的其他金屬材料的電偶腐蝕，也稱為接觸腐蝕[4]。以Ti-6A1-4V鈦合金為例，Ti-6A1-4V鈦合金與結構鋼和鋁合金接觸時會產生接觸腐蝕，降低強度，具體性能變化見表6。

表6 Ti-6A1-4V與結構鋼和鋁合金接觸腐蝕性能變化

從表6可以看出，當30CrMnSiA緊固件與Ti-6A1-4V鈦合金接觸時，如果不采用防護處理，5個月強度損失高達92%；采用航空常用的氰化鍍鋅鈍化處理，5個月強度損失依然高達10.2。

因此當30CrMnSiA螺栓遇到與TI-6A1-4V接觸的情況，會給飛行器的正常工作帶來強度降低的風險。

3 結論

緊固件的選擇不但需要考慮熱連接的匹配性，在高溫工作環境中，當緊固件材料的線膨脹系數高于夾層材料線膨脹系數時，會導致緊固件的實際預緊力下降，嚴重時會造成緊固件的防松失效；當緊固件材料的線膨脹系數低于夾層材料的線膨脹系數時，會導致緊固件預緊力增加，當緊固件實際預緊應力與其最大工作載荷應力之和超過緊固件的屈服極限時，緊固件將失效。

在選擇緊固件時，要充分考慮其與基體材料間的電位差，選擇合適的材料才能避免電偶腐蝕的發生，另外也可以通過選擇合適的螺紋涂層及表面處理工藝，限制緊固件的電偶腐蝕。

[1]胡濤,等.巡航飛行器國內某技術標準的發展趨勢[J].航空兵器,2002,(3):42-44.

[2]趙樹萍,等.鈦合金在航空航天領域中的應用[J].鈦工業進展,2002,(6):18-21.

[3]徐灝,等.機械設計手冊：第3卷[M].第1版.北京:機械工程出版社,1995:45.

[4]張睿,等.鈦及其合金的腐蝕[J].材料開發與應用,2013(8):96-103.

>>>作者簡介

陳龍，男，1988年出生，2011年畢業于廈門大學，工程師，現從事結構設計工作。

Brief Analysis on Selection of Fasteners for Supersonic Vehicle

Chen Long,Ma Junfei,Yan Jingyu,Wang Zaiyu,Jin Jiachao

（AVIC-HONGDU,Nanchang,Jianxi,330024）

With the increasement of Mach number of supersonic vehicle and the increasing proportion of titanium alloy in vehicle structure,the fastener made of traditional alloy structural steel is unable to meet the operational requirement any more.This paper analyzes the reasonability of fastener selection from two aspects,i.e.Thermal expansion under high temperature and thermocouple corrosion,for the reference of fastener selection under high temperature.

Supersonic;Fastener;Titanium alloy;Pretension force;

2016-10-08）