CN111218583A - 一种低成本小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钛合金领域，尤其涉及一种低成本小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用。所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 3～7％，V 1～6％，Fe≤2.5％，C≤0.2％，N≤0.1％，H≤0.02％，O≤0.4％，余量为Ti及不可避免的杂质。本发明经过大量的试验研究、发现，通过控制制备钛合金弹簧的工艺参数可有效避免细丝状态下的钛合金弹簧较难进行扒皮和抛光处理的情况，同时还能有效避免弹簧成型后热处理时钛合金弹簧易变形的情况，进而保障了钛合金弹簧的各方面优异性能。本发明所述的低成本小线径钛合金弹簧可广泛应用于航空等领域。

Description

一种低成本小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及钛合金领域，尤其涉及一种低成本小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用。
背景技术
目前，弹簧的主要材料为弹簧钢材质；然而传统弹簧钢材质弹簧耐腐蚀性差，不能在较高温度、高盐碱条件等极端环境下长久耐腐蚀。
钛合金是一种重要的结构金属，其具有比强度高，耐腐蚀性好、耐热性好等优点；现阶段如何发挥钛合金的性能优势、以及如何制备钛合金弹簧是本领域亟需解决的技术难题。目前，钛合金弹簧在航空领域得到成功的应用；典型的应用是飞机起落架上/下牵引装置、舱门平衡装置、飞行控制弹簧、飞机操纵杆弹簧、踏板复位弹簧等。
现有技术通常采用β型钛合金作为钛合金弹簧的原材料，β型钛合金除具备上述所有钛合金的优点外，其较高的抗拉强度也使其在钛合金弹簧领域具有不可替代的优势；但是，由于β型钛合金强度较大，使其在细丝状态下较难进行扒皮和抛光处理，另外由于材料较细，热处理时也极易产生变形；同时，由于β型钛合金里面有一定比例的Cr、V、Mo、Zr等较昂贵的元素加入，使其原材料的成本大幅度增加。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种低成本小线径钛合金弹簧；所述的低成本小线径钛合金弹簧具有轻质、细丝、高性能等优点；其采用α～β型钛合金，在细丝状态下容易进行扒皮和抛光处理；另外，由于固溶是在生产坯料过程中进行的，因此弹簧不易产生变形。
具体而言，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 3～7％，V 1～6％，Fe≤2.5％，C≤0.2％，N≤0.1％，H≤0.02％，O≤0.4％，余量为Ti及不可避免的杂质。
本发明所述的钛合金弹簧中不包含Cr、Mo、Zr等较昂贵的元素，仅通过Al、V、Fe、C、N、H、O、Ti之间的协同增效，即大幅度降低了其生产成本，又进一步实现了其高强度、高耐腐蚀性、高耐热性等性能优势。
为了进一步降低钛合金弹簧的成本、提高其各方面性能，本发明对钛合金弹簧的成分进一步优化，具体如下：
作为优选，所述α～β型钛合金中含有Al 5.5～6.8％，V 3.5～4.5％，Fe≤0.3％，C≤0.1％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质。
作为优选，所述α～β型钛合金中含有Al 3.5～4.5％，V 2.0～3.0％，Fe 1.2～1.8％，C≤0.08％，N≤0.03％，H≤0.015％，O 0.2～0.3％，余量为Ti及不可避免的杂质。
本发明同时提供上述低成本小线径钛合金弹簧的制备方法；本发明经过大量的试验研究、发现，通过控制制备钛合金弹簧的工艺参数可有效避免细丝状态下的钛合金弹簧较难进行扒皮和抛光处理的情况，同时还能有效避免弹簧热处理时易变形的情况，进而保障了钛合金弹簧的各方面优异性能。
具体而言，所述的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料进行锻造轧制后，进行退火处理，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯进行固溶处理，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷变形强化处理，得冷变形坯(拉伸强度大于1200Mpa)；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(5)将所述弹簧丝材进行卷制成型后，进行时效处理；
其中，所述锻造轧制在900～930℃下进行90～120min；所述退火在700～850℃下进行30～120min；所述固溶处理在850～970℃下进行20～120min。
本发明将含各元素的原料通过特定条件下的锻造轧制、退火处理、固溶处理和冷变形强化处理后，容易进行扒皮抛光处理，且为后续的弹簧成型做好准备，使产品在热处理时不易产生变形。
为了进一步使细丝状钛合金弹簧更加容易进行扒皮和抛光处理、其热处理时更加不易变形，本发明对制备钛合金弹簧的工艺参数进行优化(将所有的优化技术方案进行组合即得本发明的较佳技术方案)，具体如下：
作为优选，所述冷变形强化处理选自冷拉处理、冷轧处理、冷旋转处理中的一种或几种；优选为冷拉处理。
作为优选，所述弹簧丝材的直径为0.5～7mm；进一步的，当所述弹簧丝材的直径为2～7mm时，还包括抛丸强化处理的步骤；所述抛丸强化处理的强度控制在A型阿尔曼试片弧高大于0.1mm。
作为优选，所述卷制成型采用冷加工的方式；优选采用冷卷机进行弹簧冷成型或采用冷弯机进行扭杆弹簧冷成型。
作为优选，所述时效处理在450～600℃下进行50min～8h；进一步的，所述时效处理在真空条件下或在气体(氩气尤为理想)保护下进行。
通过本发明所述的制备方法制得的低成本小线径钛合金弹簧表面质量好、疲劳寿命高(其疲劳寿命不低于5万次)、耐高温性能强、耐腐蚀耐高盐碱性能极佳，同时其成本低廉；所述钛合金弹簧包括但不限于螺旋压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧、螺旋扭簧、扭杆弹簧、螺旋压缩组合弹簧。
本发明还提供上述低成本小线径钛合金弹簧在航空领域中的应用；优选在飞机起落架上/下牵引装置、舱门平衡装置、飞行控制弹簧、飞机操纵杆弹簧、踏板复位弹簧中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过Al、V、Fe、C、N、H、O、Ti之间的协同增效，即大幅度降低了其生产成本，又进一步实现了其表面质量好、疲劳寿命高(其疲劳寿命不低于5万次)、耐高温性能强、耐腐蚀耐高盐碱性能极佳等性能优势。
(2)本发明所述的制备方法可有效避免细丝状态下的钛合金弹簧较难进行扒皮和抛光处理的情况，同时还能有效避免热处理时钛合金弹簧易变形的情况，进而保障了钛合金弹簧的各方面优异性能。
(3)本发明所述的低成本小线径钛合金弹簧可广泛应用于航空领域。
附图说明
图1为实施例1所制得的低成本小线径钛合金弹簧的示意图。
图2为实施例2所制得的低成本小线径钛合金弹簧的示意图。
图3为实施例3所制得的低成本小线径钛合金弹簧的示意图。
图4为实施例4所制得的低成本小线径钛合金弹簧的示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种低成本小线径钛合金弹簧(如图1所示)，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 6％，V 4％，Fe≤0.3％，C≤0.1％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质；
所述低成本小线径钛合金弹簧的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在930℃下进行锻造轧制90min后，在770℃下退火处理90min，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在930℃下固溶处理60min，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷拉处理，线径由1.06mm拉拔至0.75mm，得冷变形坯(拉伸强度为＞1200Mpa)；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝0.75mm)；
(5)采用冷卷机对所述弹簧丝材进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理50min，得低成本小线径钛合金弹簧；
所述低成本小线径钛合金弹簧的线径为0.75mm，中径为4.05mm，有效圈数为12，总圈数为14，自由高度为20mm。
实施例2
本实施例提供一种低成本小线径钛合金弹簧(如图2所示)，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 6％，V 4％，Fe≤0.3％，C≤0.1％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质；
所述低成本小线径钛合金弹簧的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在930℃下进行锻造轧制90min，在770℃下退火处理90min，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在930℃下固溶处理60min，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷拉处理，线径由1.35mm拉拔至0.95mm，得冷变形坯(拉伸强度为＞1200Mpa)；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝0.95mm)；
(5)采用冷卷机对所述弹簧丝材进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理50min，得低成本小线径钛合金弹簧。
所述低成本小线径钛合金弹簧的线径为0.95mm，中径为6.05mm，有效圈数为97，总圈数为98.5，自由高度为300mm。
实施例3
本实施例提供一种低成本小线径钛合金弹簧(如图3所示)，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 4％，V 2.5％，Fe 1.2～1.8％，C≤0.08％，N≤0.03％，H≤0.015％，O 0.2～0.3％，余量为Ti及不可避免的杂质。
所述低成本小线径钛合金弹簧的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在930℃下进行锻造轧制120min，在770℃下退火处理90min，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在930℃下固溶处理60min，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷拉处理，线径由1.0mm拉拔至0.7mm，得冷变形坯(拉伸强度为＞1200Mpa)；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝0.7mm)；
(5)采用冷卷机对所述弹簧丝材进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理50min，得低成本小线径钛合金弹簧。
所述低成本小线径钛合金弹簧的线径为0.7mm，中径为5.3mm，有效圈数为7，总圈数为8，自由高度为19mm。
实施例4
本实施例提供一种低成本小线径钛合金弹簧(如图4所示)，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 6％，V 4％，Fe≤0.3％，C≤0.1％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质；
所述低成本小线径钛合金弹簧的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在930℃下进行锻造轧制90min，在770℃下退火处理90min，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在930℃下固溶处理60min，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷拉处理，线径由3.3mm拉拔至2.33mm，得冷变形坯(拉伸强度为＞1200Mpa)；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝2.33mm)；
(5)采用冷卷机对所述弹簧丝材进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理50min后进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为＞0.1mm)，得低成本小线径钛合金弹簧。
所述低成本小线径钛合金弹簧的线径为2.33mm，中径为28.17mm，有效圈数为4，总圈数为6，旋向为右旋，自由高度为44mm，安装高度及弹簧力值为26mm、30.7N，工作高度及弹簧力值为18mm、44.4N，极限高度即弹簧力值为14mm、51.2N。
对比例1
本对比例提供一种低成本小线径钛合金弹簧，与实施例1的区别仅在于：制备方法中步骤(3)将所述固溶态坯在750℃下进行热拉拔，线径由1.06mm拉拔至0.75mm，得冷变形坯(拉伸强度为1050Mpa)。
对比例2
本对比例提供一种低成本小线径钛合金弹簧，与实施例2的区别仅在于：制备方法中不进行步骤(2)，直接将所述热轧合金坯进行冷拉处理，材料由1.35mm拉拔至0.95mm，得冷变形坯(拉伸强度为1100Mpa)。
对比例3
本对比例提供一种低成本小线径钛合金弹簧，与实施例2的区别仅在于：制备方法中步骤(3)线径由0.78mm拉拔至0.7mm，得冷变形坯(拉伸强度为1100Mpa)。
试验例1
本试验例针对实施例1～4、对比例1～3所得的低成本小线径钛合金弹簧的性能进行测试，测试结果见表1；
表1实施例1～4、对比例1～3所得的低成本小线径钛合金弹簧的性能测试结果
Figure BDA0002398417650000081
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低成本小线径钛合金弹簧，其特征在于，所述低成本小线径钛合金弹簧由α～β型钛合金制得；所述α～β型钛合金中含有Al 3～7％，V 1～6％，Fe≤2.5％，C≤0.2％，N≤0.1％，H≤0.02％，O≤0.4％，余量为Ti及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低成本小线径钛合金弹簧，其特征在于，所述α～β型钛合金中含有Al 5.5～6.8％，V 3.5～4.5％，Fe≤0.3％，C≤0.1％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.2％，余量为Ti及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的低成本小线径钛合金弹簧，其特征在于，所述α～β型钛合金中含有Al 3.5～4.5％，V 2.0～3.0％，Fe 1.2～1.8％，C≤0.08％，N≤0.03％，H≤0.015％，O0.2～0.3％，余量为Ti及不可避免的杂质。
4.权利要求1～3任一项所述的低成本小线径钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料进行锻造轧制后，进行退火处理，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯进行固溶处理，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行冷变形强化处理，得冷变形坯；
(4)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(5)将所述弹簧丝材进行卷制成型后，进行时效处理；
其中，所述锻造轧制在900～930℃下进行90～120min；所述退火在700～850℃下进行30～120min；所述固溶处理在850～970℃下进行20～120min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述冷变形强化处理选自冷拉处理、冷轧处理、冷旋转处理中的一种或几种；优选为冷拉处理。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述弹簧丝材的直径为0.5～7mm。
7.根据权利要求4或6所述的制备方法，其特征在于，当所述弹簧丝材的直径为2～7mm时，还包括抛丸强化处理的步骤；所述抛丸强化处理的强度控制在A型阿尔曼试片弧高大于0.1mm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理在450～600℃下进行50min～8h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理在真空条件下或在气体保护下进行。
10.权利要求1～3任一项所述的低成本小线径钛合金弹簧在航空领域中的应用。
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