一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件及其制造方法

摘要

本发明提供一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件及其制造方法，该产品采用Ti基形状记忆合金制备，外形设计为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，结构对称中心设计凸起点。在生产及工艺中通过对称拉伸产生2‑4％形变，随后沿各凸起点中部切割得到铆钉成品，在连接部位通过加热回复初始形状起到良好紧固作用。通过设计特定拉伸装置进行串联或者并联一致拉伸、切割制造得到相同均匀预形变处理后的铆钉产品。本发明的制造方法简便、高效、可靠，具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，包含以下步骤：

1)、合金熔炼：所用合金原料为高纯Ti，其纯度≥99.99％，高纯Zr，其纯度≥99.99％，以及其它高纯度合金原料，采用真空非自耗电弧熔炼方式得到合金铸锭，通过1000℃-1500℃温度保温12-24小时进行均匀化处理，保证合金成分均匀性；

2)、合金锻造及拉拔：将合金铸锭在900℃-950℃条件锻造得到一定尺寸方坯，进而通过拉拔工艺得到直径为10-100mm尺寸合金棒材；

3)、机械加工：将Ti基形状记忆合金棒材，通过车、钳、铣、刨、磨一种以上的机械加工成型方法生产得到对称结构、两端为铆钉圆头或沉头的条状产品，伸长段直径为10-50mm，端头直径为15-80mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为12-60mm；

4)、退火处理：将所述条状产品在600-1000℃范围内进行2-10小时真空保温处理，随后通过淬火工序完成铆钉退火处理过程，消除机械加工残留应力并使产品相组成为室温马氏体相；

5)、表面处理：将退火后产品进行机械磨光去除表面加工处理痕迹，并打磨光滑；随后将表面处理后的产品放入25-40℃无水乙醇中进行超声清洗直至表面光洁无污染后取出晾干，得到洁净产品；

6)、形变预处理：室温环境下将所述表面处理后的产品至于特定拉伸装置中进行形变量为2-4％的均匀变形，使其伸长段直径满足连接孔径要求，随后沿凸起点中部对称切割得到单个铆钉成品；

其中，所述条状产品为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，伸长段直径为25mm，端头直径为60mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为35mm；

并且，所述铆钉是由Ti基形状记忆合金制成的具有一定外形的能够起到紧固连接件作用的形状记忆合金铆钉；设计所述铆钉紧固件的尾部为突起结构，在室温拉伸处理后其尺寸满足进入铆接位置孔径要求，装配并经加热恢复初始形状后，突起结构与连接件端面相接触起到紧固作用。

2.如权利要求1所述的Ti基形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，其特征在于，所述Ti基形状记忆合金包括但不仅限于Ti-Zr二元合金系，Ti-Zr-Nb三元合金系以及上述合金系所发展的四元合金系。

3.如权利要求2所述的Ti基形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，其特征在于，所述Ti基形状记忆合金包括但不仅限于Ti-(20-30)Zr、Ti-(20-30)Zr-(5-10)Nb合金。

4.如权利要求1-3任一所述的形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，其特征在于，所述条状产品为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，伸长段直径为20-40mm，端头直径为30-

70mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为30-60mm。

5.如权利要求4所述的形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，其特征在于，所述形变预处理，是通过设计特定拉伸装置进行串联和/或并联一致拉伸、切割制造得到相同均匀预形变处理后的铆钉产品。

说明书

一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于连接件技术领域，特别涉及一种形状记忆合金铆钉紧固件及其简便、可靠、批量化制造方法。

背景技术

[0002] 传统铆钉紧固件通常采用干涉配合方式连接减轻结构重量并显著延长结构寿命。但对于传统紧固件而言，干涉配合时采用强迫安装的方法进行连接，通常由于紧固件各部位塑性变形不均匀导致其恢复中出现径向非均匀膨胀现象，容易对连接部件造成孔壁裂纹损伤。形状记忆合金在升温相变过程中伴随的形状恢复为均匀形变，能够完全恢复原始形状，因此为解决传统铆钉紧固件连接所产生的非均匀变形问题，采用形状记忆合金制造新型铆钉紧固件。

[0003] 目前应用较为成熟的形状记忆合金紧固件材料主要为NiTi基合金。NiTi基形状记忆合金具有优良的形状记忆效应，所制作的紧固件在国内外航空、航天、汽车和桥梁等行业得到广泛使用。尤其在航空航天领域，飞机及各类航空器在装配过程中需使用大量铆接产品，一方面满足航空航天严苛使用环境，另一方面保证整体结构轻量化以及可靠性。例如NiTiFe记忆合金航空液压管路接头已在美国的F14、F18和B2等多种型号飞机上得到大量应用，采用NiTiCo记忆合金制作的油密干涉形状记忆铆钉，大量应用于歼七、歼八飞机的机翼油箱上。发明专利CN201310525180.0介绍了一种形状记忆合金铆钉与本体之间利用紧固件受热恢复原始形状，产生干涉配合的结构，但设计中形状记忆合金紧固件为光滑杆状，加载变形处理难度较大。发明专利CN201080055244.X采用NiTi基形状记忆合金的自膨胀特点，在相互接触的连接件孔中发生强制塑性变形，从而产生径向载荷而紧固连接件。由于紧固件加工变形对环境温度的要求以及NiTi基记忆合金相变特点限制，其变形及保存需要在低温环境(如‐196℃的液氮)下进行，致使制造、保存及使用成本高，操作工序繁琐。

[0004] Ti基形状记忆合金是近年来发展的一种新型记忆合金材料，具有良好的机械性能(抗拉强度700MPa)以及形状记忆效应(4％)，能够满足铆钉制造使用要求，相对比传统NiTi基合金具有低密度(约为NiTi基合金的70～80％)、使用温度范围广(‐100～200℃)等优点。与此同时，Ti基记忆合金相变温度一般高于室温，并且其母相稳定性高，变形后工作环境降低不会发生马氏体转变且具有高强度，不会发生低温松弛现象。所以Ti基形状记忆合金紧固件可以在室温环境(无需低温环境)下完成变形、保存，尤其是在航空航天等领域能够满足不同温度范围内安全使用的要求，能够极大程度降低形状记忆合金紧固件的制造、保存和使用成本。Ti基记忆合金主要包括Ti‐Nb、Ti‐Zr和Ti‐Ta等合金体系，例如Ti‐Zr‐Nb‐Fe合金(如CN201710046448.0)具有高相变点(As＞150℃)，其作为原材料制造紧固件进行使用时，可以在室温环境下进行加工变形，并在室温环境下长期保存，且此类合金制作的产品性能稳定。

[0005] 传统形状记忆合金铆钉紧固件为产生干涉配合作用，需在低温环境下(如液氮)使用前对所生产铆钉成品进行预形变处理并保存，使其满足连接件孔径要求，因此在加工工艺方面难以实现批量化处理，而且需要大量低温处理设备支持，极大地增加了此类铆钉的生产、保存与使用成本。

[0006] 同时，现有技术对形状记忆合金铆钉的制造方法也局限于传统的铆钉的制造方法，如墩制，冷轧等传统制备方法。然而该类制造方法存在成本偏高，设备复杂，加工精度不可控等不足。因此，也亟需发展一种生产成本低、高效、设备和工艺流程简化的制造方法。

发明内容

[0007] 本发明针对传统形状记忆合金铆钉紧固件产品特点，以及其生产、预形变处理中工艺及生产过程的成本问题，提供一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件及其制造方法。

[0008] 本发明采用Ti基形状记忆合金制造铆钉紧固件，可以实现室温条件下产品的制造及保存，且铆接完成后紧固件具有优异性能稳定性及可靠性，有效降低生产及使用成本。该铆钉产品相对于传统形状记忆合金铆钉密度更低(约为NiTi基合金的70～80％)，有利于降低连接系统的结构重量。通过此方法可以高效、低成本制造优异性能的铆钉紧固件产品，解决形状记忆合金铆钉低温加工变形难度大的问题，保证产品性能一致性及可靠性。

[0009] 本发明提供的Ti基形状记忆合金制造铆钉紧固件的技术方案如下：

[0010] 一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件，其特征在于：所述铆钉是由Ti基形状记忆合金制成的具有一定外形的能够起到紧固连接件作用的形状记忆合金铆钉。

[0011] 在一个优选的实施方案中，所述Ti基形状记忆合金包括但不仅限于Ti‐Zr、Ti‐Mo、Ti‐Nb、Ti‐Ta二元合金系，Ti‐Zr‐Nb、Ti‐Nb‐Mo三元合金系以及上述合金系所发展的新型四元合金系。

[0012] 在一个优选的实施方案中，所述Ti基形状记忆合金包括但不仅限于Ti‐(20‐30)Zr、Ti‐(20‐30)Mo、Ti‐(20‐30)Nb、Ti‐(20‐30)Ta、Ti‐(20‐30)Zr‐(5‐10)Nb、Ti‐(20‐30)Nb‐(5‐10)Mo合金系。

[0013] 在一个优选的实施方案中，设计所述铆钉紧固件的尾部为突起结构，在室温拉伸处理后其尺寸满足进入铆接位置孔径要求，装配并经加热恢复初始形状后，突起结构与连接件端面相接触起到紧固作用。

[0014] 本发明还提供一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件的制造工序，具体技术方案如下：

[0015] 一种Ti基形状记忆合金铆钉紧固件的制造方法，包含以下步骤：

[0016] 1、合金熔炼：所用合金原料为高纯Ti(纯度≥99.99％)、高纯Zr(纯度≥99.99％)以及其它高纯度合金原料，采用真空非自耗电弧熔炼方式得到合金铸锭，通过1000℃‐1500℃温度保温12‐24小时进行均匀化处理，保证合金成分均匀性；

[0017] 2、合金锻造及拉拔：将合金铸锭在900℃‐950℃条件锻造得到一定尺寸方坯，进而通过拉拔工艺得到直径为10‐100mm尺寸合金棒材；

[0018] 3、机械加工：将Ti基形状记忆合金棒材，通过车、钳、铣、刨、磨一种以上的机械加工成型方法生产得到对称结构、两端为铆钉圆头或沉头的条状产品，伸长段直径为10‐50mm，端头直径为15‐80mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为12‐60mm；

[0019] 4、退火处理：将所述条状产品在600‐1000℃范围内进行2‐10小时真空保温处理，随后通过淬火工序完成铆钉退火处理过程，消除机械加工残留应力并使产品相组成为室温马氏体相；

[0020] 5、表面处理：将退火后产品进行机械磨光去除表面加工处理痕迹，并打磨光滑；随后将表面处理后的产品放入25‐40℃无水乙醇中进行超声清洗直至表面光洁无污染后取出晾干，得到洁净产品；

[0021] 6、形变预处理：室温环境下将所述表面处理后的产品至于特定拉伸装置中进行形变量为2‐4％的均匀变形，使其伸长段直径满足连接孔径要求，随后沿突起点中部对称切割得到单个铆钉成品。

[0022] 在一个优选的实施方案中，所述条状产品为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，伸长段直径为20‐40mm，端头直径为30‐70mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为40‐60mm；(2)制备生产工艺中通过对称拉伸产生形变，随后沿各凸起点中部切割得到铆钉成品。

[0023] 在一个优选的实施方案中，所述条状产品为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，伸长段直径为25mm，端头直径为60mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为35mm；

[0024] 在一个优选的实施方案中，所述形状预处理，可以是通过设计特定拉伸装置进行串联和/或并联一致拉伸、切割制造得到相同均匀预形变处理后的铆钉产品。

[0025] 本方法区别于传统形状记忆合金铆钉的制造方法，以往工艺条件下通过模具批量制造铆钉成品效率低，且在低温变形处理过程中存在无法着力问题致使铆钉制造使用流程复杂。本发明采用先形变、后切割的方式得到铆钉产品，便于预形变处理，通过在所设计简易装置一定载荷下的拉伸，非常有效且可靠地制造铆钉成品，极大程度降低加工成本。

[0026] 本发明相比现有技术能够取得的技术效果有：

[0027] 1、本发明采用Ti基形状记忆合金制造铆钉紧固件，其相变温度高于室温，可以实现室温条件下产品生产及保存，无需低温条件(如液氮环境)，降低产品制造加工成本；

[0028] 2、本发明采用Ti基形状记忆合金制造铆钉紧固件，相对于传统NiTi基形状记忆合金产品，该铆钉产品具有更低的密度(NiTi合金密度6.5g/cm3，Ti基合金密度5.3g/cm3)，能够进一步减轻连接结构的重量；

[0029] 3、本发明采用Ti基形状记忆合金制造铆钉紧固件，该产品装配完成受热恢复后母相具有高强度及稳定性特点，提高连接可靠性及使用寿命；

[0030] 4、采用本发明制造方法可以高效、低成本制造相同规格形状记忆合金铆钉产品，设计独特加工工序解决形状记忆合金铆钉低温加工变形难度大的问题，简化制造生产流程；

[0031] 5、采用本发明制造方法可以保证同批次生产的铆钉产品尺寸一致性，提高铆钉成品率及使用可靠性；

[0032] 6、本发明制造方法方便、快捷，可以实现小型化操作，可以在众多领域推广使用。附图说明：

[0033] 为了更清楚地说明本发明实施例及技术方案，将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，均为本发明专利的保护范围。

[0034] 图1为铆钉紧固件产品结构及制造方法示意图。

[0035] 图2为铆钉紧固件装配使用过程示意图。

[0036] 图3为一致串联拉伸两个及以上铆钉产品结构及制造方法示意图(其中n≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。

[0037] 图4为一致并联拉伸两个及以上铆钉产品结构及制造方法示意图(其中n≥2、m≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。

具体实施方式

[0038] 具体实施方式部分提供了本发明的详细实施方式。然而，所披露的实施方式仅是本发明的示例，其可以以各种替代性形式体现。因此，具体的结构上和功能上的细节并不旨在是限定性的，它们提供了权利要求的依据并且作为有代表性的依据用于教导本领域技术人员多方面实施本发明。

[0039] 图1(a)示出了所制造铆钉紧固件的条形产品，图1(b)示出了形变预处理及使用方法。产品为对称结构，两端为铆钉圆头或沉头，伸长段直径d1为10‐50mm，端头直径d2为15‐80mm；结构对称中心设计突起点，该位置横截面直径d3为12‐60mm，位置4为特定端头拉伸装置。

[0040] 该铆钉产品具体使用过程如图2所示，铆钉产品(a)初始直径为D，在室温环境中将铆钉置于拉伸装置中进行均匀变形，端头位置作为拉伸着力点使得铆钉长度增加，横截半径减小为d，随后沿突起点中部对称切割得到铆钉成品，如图2(b)所示，即可在特定工况条件下进行铆接。随后如图2(c)所示通过加热铆钉在连接部位发生尺寸恢复，进而起到干涉配合铆接紧固效果。

[0041] 图3所示为制造两个及以上产品串联结构，其各位置设计结构尺寸与实施例1中相同(其中n≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。为保证使用前预形变处理均匀一致性，可以根据具体使用条件设计串联铆钉对称结构个数。将图3结构产品置于特定拉伸装置中进行均匀变形，随后沿各产品突起点中部及端头中部对称切割得到铆钉成品，即可在特定工况条件下进行铆接，并通过加热恢复起到干涉配合铆接紧固作用。

[0042] 图3所示的方法可设计两个及以上产品串联结构，在生产以及使用过程中能够良好保证形变均匀一致性，极大节省制造成本。不同使用条件及干涉量下，须在保证拉伸环节均匀性基础上设置产品串联结构数目，否则预形变处理将导致产品尺寸出现偏差，其结构无法满足同一使用要求。

[0043] 如图4所示的方法，制造两个及以上图3结构并联拉伸产品，其各对称节位置设计与图3为一致串联拉伸两个及以上铆钉产品(其中n≥2、m≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。为保证使用前预形变处理均匀一致性，可以根据具体使用条件设计串联、并联图1中铆钉对称结构个数。

[0044] 将图4结构产品置于特定拉伸装置中进行均匀变形，随后沿各对称节突起点中部及端头中部对称切割得到铆钉成品，即可在特定工况条件下进行铆接，并通过加热恢复起到干涉配合铆接紧固作用。

[0045] 图4所示的方案中可设计一致并联拉伸多个产品，需根据具体使用要求设计并联拉伸装置，以保证在生产以及使用过程中能够保证形变均匀一致性，极大节省制造成本。注意不同使用条件及干涉量下，须在保证拉伸环节均匀性基础上设置串联、并联图1中结构数目，否则预形变处理将导致产品尺寸出现偏差，其结构无法满足同一使用要求。

[0046] 下面通过具体实施例来突出本发明对现有技术的贡献。

[0047] 实施例1

[0048] Ti基形状记忆合金铆钉的组成为Ti‐(20‐30)Zr。

[0049] 其制造方法如下：

[0050] 1、合金熔炼：按照合金组成的配比，选择适量比含量的高纯Ti(纯度≥99.99％)、高纯Zr(纯度≥99.99％)以及其它高纯度合金原料，采用真空非自耗电弧熔炼方式得到合金铸锭，通过1000℃温度保温14小时进行均匀化处理，保证合金成分均匀性；

[0051] 2、合金锻造及拉拔：将合金铸锭在920℃条件锻造得到一定尺寸方坯，进而通过拉拔工艺得到直径为80mm尺寸合金棒材；

[0052] 3、机械加工：将Ti基形状记忆合金棒材，通过车、钳、铣、刨、磨一种以上的机械加工成型方法生产得到如图1(a)所示的对称结构、两端为铆钉圆头或沉头的条状产品，伸长段直径为25mm，端头直径为60mm，结构对称中心设计凸起点，该位置横截面直径为35mm；

[0053] 4、退火处理：将所述条状产品在800℃范围内进行2小时真空保温处理，随后通过淬火工序完成铆钉退火处理过程，消除机械加工残留应力并使产品相组成为室温马氏体相；

[0054] 5、表面处理：将退火后产品进行机械磨光去除表面加工处理痕迹，并打磨光滑；随后将表面处理后的产品放入25℃无水乙醇中进行超声清洗直至表面光洁无污染后取出晾干，得到洁净产品；

[0055] 6、形变预处理：室温环境下将所述表面处理后的产品至于特定拉伸装置中进行形变量为2％的均匀变形，使其伸长段直径满足连接孔径要求，随后沿突起点中部对称切割得到单个铆钉成品。

[0056] 实施例2

[0057] Ti基形状记忆合金铆钉组成为Ti‐35Mo。

[0058] 其制造方法与实施例1制造方法相同，区别在于按照图3所示为制造两个及以上产品串联结构，其各位置设计结构尺寸与实施例1中相同(其中n≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。为保证使用前预形变处理均匀一致性，可以根据具体使用条件设计串联铆钉对称结构个数。

[0059] 与实施例1制造方法相同，将图3结构产品置于特定拉伸装置中进行均匀变形，随后沿各产品突起点中部及端头中部对称切割得到铆钉成品，即可在特定工况条件下进行铆接，并通过加热恢复起到干涉配合铆接紧固作用。

[0060] 本实施例中所述铆钉紧固件制造原料及方法与实施例1中1‐2、4‐5步骤一致，在此不做说明。在步骤3中，通过机械加工方法得到如图3中所示结构产品，步骤6需另外沿产品端头中部对称中心同样进行切割。磨光，最终得到同批次铆钉产品。

[0061] 实施例3

[0062] Ti基形状记忆合金铆钉组成为Ti‐20Zr‐5Nb。

[0063] 其制造方法为与实施例2的制备方法相同，按照实施例2设计理念，如图4所示制造两个及以上图3结构并联拉伸产品，其各对称节位置设计与实施例1中相同，图3为一致串联拉伸两个及以上铆钉产品结构及制造方法示意图(其中n≥2、m≥2，表示该设计包括两个及以上产品结构)。为保证使用前预形变处理均匀一致性，可以根据具体使用条件设计串联、并联实施例1中铆钉对称结构个数。

[0064] 与实施例1使用方法相同，将图4结构产品置于特定拉伸装置中进行均匀变形，随后沿各对称节突起点中部及端头中部对称切割得到铆钉成品，即可在特定工况条件下进行铆接，并通过加热恢复起到干涉配合铆接紧固作用。

[0065] 该实施例中设计一致并联拉伸多个产品，需根据具体使用要求设计并联拉伸装置，以保证在生产以及使用过程中能够保证形变均匀一致性，极大节省制造成本。注意不同使用条件及干涉量下，须在保证拉伸环节均匀性基础上设置串联、并联实施例1中结构数目，否则预形变处理将导致产品尺寸出现偏差，其结构无法满足同一使用要求。

[0066] 本实施例中所述铆钉紧固件制造原料及方法与实施例2中1‐2、4‐6步骤一致，在此不做说明。在步骤3中，通过机械加工方法得到图4中所示结构产品。

[0067] 本方法区别于传统形状记忆合金铆钉的制造方法，以往工艺条件下通过模具批量制造铆钉成品效率低，且在低温变形处理过程中存在无法着力问题致使铆钉制造使用流程复杂。本发明采用先形变、后切割的方式得到铆钉产品，便于预形变处理，通过在所设计简易装置一定载荷下的拉伸，非常有效且可靠地制造铆钉成品，极大程度降低加工成本。

[0068] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。