CN111306229A - 一种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，尤其涉及一种小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用；所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得；所述β型钛合金中含有Al 3～9％，Cr 3～9％，V 6～12％，Mo 2～16％，Zr 2～8％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.12％；余量为Ti及不可避免的杂质。本发明通过控制制备小线径钛合金弹簧的工艺参数可有效提高钛合金弹簧的各方面性能，使其表面质量好、疲劳寿命高、耐高温，同时耐腐蚀耐高盐碱性能极佳。本发明所述的小线径钛合金弹簧的重量比传统的弹簧钢材质弹簧减轻，实现了轻质的小线径钛合金弹簧，使其可广泛应用于航空领域。

Description

一种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，尤其涉及一种小线径钛合金弹簧及其制备方法与应用。
背景技术
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。弹簧的主要材料为弹簧钢材质；然而传统的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。
随着钛合金弹簧逐渐被广泛应用于航空领域(尤其应用于飞机起落架上/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)，对其性能上的要求越来越高；如何发挥钛合金的性能优势、以及如何制备小线径、高性能的钛合金弹簧是本领域技术人员亟需解决的难题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供一种轻质、高性能的小线径钛合金弹簧；所述小线径钛合金弹簧表面质量好、疲劳寿命高、耐高温，同时耐腐蚀耐高盐碱性能极佳。
具体而言，所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得；所述β型钛合金中含有Al 3～9％，Cr 3～9％，V 6～12％，Mo 2～16％，Zr 2～8％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.12％；余量为Ti及不可避免的杂质。
为了进一步提高小线径钛合金弹簧的性能，本发明对小线径钛合金弹簧的成分进行优化，具体如下：
作为优选，所述β型钛合金中含有Al 3～4％，Cr 5.5～6.5％，V 7.5～8.5％，Mo3.5～4.5％，Zr 3.5～4.5％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.12％；余量为Ti及不可避免的杂质。
本发明同时提供上述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，通过控制制备小线径钛合金弹簧的工艺参数可有效提高钛合金弹簧的各方面性能，使其表面质量更优、疲劳寿命更高、耐高温性能更强、耐腐蚀耐高盐碱性能更优。
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，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯进行强化处理后，进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(3)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；
所述强化处理选自固溶处理、冷拉处理、冷轧处理、冷旋锻处理中的一种或几种；优选所述强化处理为固溶处理和/或冷拉处理。
为了进一步提高小线径钛合金弹簧的性能，本发明对制备小线径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，所述固溶处理在700～930℃下进行20～60min。
作为优选，所述弹簧丝材的直径为0.7～20mm。
作为优选，所述卷制成型采用冷成型或热成型；进一步的，采用冷弯机或热弯机进行扭杆弹簧成型。
作为优选，所述时效处理在450～540℃下进行6～12h；优选在真空条件下或在气体保护下进行。
作为优选，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。
作为优选，本发明所述的制备方法还包括对经时效处理后的弹簧丝材进行抛丸强化处理的步骤；优选所述抛丸强化处理的强度控制在A型阿尔曼试片弧高不低于0.1mm。
作为本发明的较佳技术方案，所述的制备方法包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在900～930℃下锻造轧制90～120min后，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在700～930℃下固溶处理20～60min后，进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(3)将所述弹簧丝材进行卷制成型后，在450～540℃下时效处理6～12h，再进行抛丸强化处理。
本发明还提供上述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)本发明通过控制制备小线径钛合金弹簧的工艺参数可有效提高钛合金弹簧的各方面性能，使其表面质量好、疲劳寿命高、耐高温，同时耐腐蚀耐高盐碱性能极佳。
(2)本发明所述的小线径钛合金弹簧的重量比传统的弹簧钢材质弹簧减轻，实现了轻质的小线径钛合金弹簧，使其可广泛应用于航空领域。
附图说明
图1为实施例1所制得的小线径钛合金弹簧的示意图。
图2为实施例2所制得的小线径钛合金弹簧的示意图。
图3为实施例3所制得的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
本实施例提供一种小线径钛合金弹簧(如图1所示)，所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得，所述β型钛合金中含有Al 3％，Cr 6％，V 8％，Mo 4％，Zr 4％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.012％；余量为Ti及不可避免的杂质；
所述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℃下锻造轧制120min后，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在800℃下固溶处理30min后进行冷拉处理，线径由1.98mm拉拔至1.4mm，得冷变形坯；
(3)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝1.4mm)；
(4)将所述弹簧丝材进行冷卷制成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理8h，再进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.1mm)，得小线径钛合金弹簧；
所述小线径钛合金弹簧的线径为1.4mm，中径为11.6mm，有效圈数为68，总圈数为71，自由高度为375mm。
实施例2
本实施例提供一种小线径钛合金弹簧(如图2所示)，所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得，所述β型钛合金中含有Al 3％，Cr 6％，V 8％，Mo 4％，Zr 4％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.012％；余量为Ti及不可避免的杂质；
所述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℃下锻造轧制120min后，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在800℃下固溶处理30min后进行冷拉处理，线径由5.73mm拉拔至4.05mm，得冷变形坯；
(3)将所述冷变形坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝4.05mm)；
(4)将所述弹簧丝材进行冷卷制成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理8h，再进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.1mm)，得小线径钛合金弹簧；
所述小线径钛合金弹簧的线径为4.05mm，中径为21mm，有效圈数为3，总圈数为4.5，自由高度为29.5mm。
实施例3
本实施例提供一种小线径钛合金弹簧(如图3所示)，所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得，所述β型钛合金中含有Al 3％，Cr 6％，V 8％，Mo 4％，Zr 4％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.012％；余量为Ti及不可避免的杂质；
所述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℃下锻造轧制120min后，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在800℃下固溶处理60min，得固溶态坯；
(3)将所述固溶态坯进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材(φ＝18mm)；
(4)将所述弹簧丝材进行冷/热卷制成型后，在氩气保护下加热至520℃时效处理9h，再进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.35mm)，得小线径钛合金弹簧；
所述小线径钛合金弹簧的线径为18mm，中径为130mm，有效圈数为7.1，总圈数为8.6，自由高度为445mm。
对比例1
本对比例提供一种小线径钛合金弹簧，与实施例1的区别仅在于：制备方法中步骤(2)将所述热轧合金坯在730℃下进行热拉处理，材料强度为≥1100MPa。
对比例2
本对比例提供一种小线径钛合金弹簧，与实施例3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扒皮抛光处理，材料强度为≥1000MPa。
对比例3
本对比例提供一种小线径钛合金弹簧，与实施例2的区别仅在于：制备方法中步骤(2)线径由4.52mm拉拔至4.05mm，材料强度为≥1200MPa。
试验例1
本试验例针对实施例1～3、对比例1～3所得的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1～3、对比例1～3所得的小线径钛合金弹簧的性能测试结果
Figure BDA0002398415570000061
Figure BDA0002398415570000071
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)

1.一种小线径钛合金弹簧，其特征在于，所述小线径钛合金弹簧由β型钛合金制得；所述β型钛合金中含有Al 3～9％，Cr 3～9％，V 6～12％，Mo 2～16％，Zr 2～8％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.12％；余量为Ti及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的小线径钛合金弹簧，其特征在于，所述β型钛合金中含有Al 3～4％，Cr 5.5～6.5％，V 7.5～8.5％，Mo 3.5～4.5％，Zr 3.5～4.5％，Fe≤0.3％，Si≤0.1％，C≤0.05％，N≤0.03％，H≤0.015％，O≤0.12％；余量为Ti及不可避免的杂质。
3.权利要求1或2所述的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，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯进行强化处理后，进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(3)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；
所述强化处理选自固溶处理、冷拉处理、冷轧处理、冷旋锻处理中的一种或几种；优选所述强化处理为固溶处理和/或冷拉处理。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述固溶处理在700～930℃下进行20～60min。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述弹簧丝材的直径为0.7～20mm。
6.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述卷制成型采用冷成型或热成型。
7.根据权利要求3～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理在450～540℃下进行6～12h；优选在真空条件下或在气体保护下进行。
8.根据权利要求3～7任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括对经时效处理后的弹簧丝材进行抛丸强化处理的步骤；优选所述抛丸强化处理的强度控制在A型阿尔曼试片弧高不低于0.1mm。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取含各元素的原料在900～930℃下锻造轧制90～120min后，得热轧合金坯；
(2)将所述热轧合金坯在700～930℃下固溶处理20～60min后，进行扒皮抛光处理，得弹簧丝材；
(3)将所述弹簧丝材进行卷制成型后，在450～540℃下时效处理6～12h，再进行抛丸强化处理。
10.权利要求1或2所述的小线径钛合金弹簧在航空领域中的应用。
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