CN111334687A - 一种大线径钛合金弹簧及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及弹簧技术领域，尤其涉及一种大线径钛合金弹簧及其制备方法与应用；所述大线径钛合金弹簧由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～9份；Cr：3～9份；V：6～12份；Mo：2～16份；Zr：2～8份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.12份；Ti余量。本发明通过控制制备大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。本发明所述的大线径钛合金弹簧的重量比传统的弹簧钢材质弹簧减轻约40％，实现了轻质的大线径钛合金弹簧，使其可广泛应用于航空等领域。

Description

一种大线径钛合金弹簧及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及弹簧技术领域，尤其涉及一种大线径钛合金弹簧及其制备方法与应用。
背景技术
国内弹簧的主要材料为弹簧钢材质。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条件下长久耐腐蚀。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。发挥钛合金的性能优势，制备钛合金弹簧是本领域重要的研究方向。
目前，钛合金弹簧在国外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。我国对于钛合金弹簧的开发和研究仍然处于起步阶段。
现阶段，国内通常采用β类钛合金作为钛合金弹簧的原材料，β类钛合金除具备上述一切钛合金的优点外，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。而如何发挥钛合金的性能优势、以及如何制备大线径、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、高性能的大线径钛合金弹簧；所述大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，所述大线径钛合金弹簧由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～9份；Cr：3～9份；V：6～12份；Mo：2～16份；Zr：2～8份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.12份；Ti余量。
为了进一步提高大线径钛合金弹簧的性能，本发明对大线径钛合金弹簧的成分进行优化，具体如下：
作为优选，所述大线径钛合金弹簧由包括如下重量份的原料制备得到：Al：3～4份；Cr：5.5～6.5份；V：7.5～8.5份；Mo：3.5～4.5份；Zr：3.5～4.5份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.12份；Ti余量。
作为优选，所述大线径钛合金弹簧的线径为7～45mm。
作为优选，所述弹簧为螺旋压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧、螺旋扭簧、扭杆弹簧或螺旋压缩组合弹簧。
本发明同时提供上述大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，通过控制制备大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固溶处理后，进行扒皮抛光处理，得弹簧棒材；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型后，进行时效处理；
其中，所述锻造轧制在900～930℃下进行90～120min。
为了进一步提高大线径钛合金弹簧的性能，本发明对制备大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，所述弹簧棒材的直径为7～45mm。
作为优选，所述卷制成型采用冷成型或热成型；进一步的，采用冷卷机或热卷机进行弹簧成型。
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(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所述时效处理后的弹簧棒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0.35mm。
作为本发明的较佳技术方案，所述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，得弹簧棒材；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型后，在450～540℃下时效处理6～12h后，再进行抛丸强化处理。
本发明还提供上述大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。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过控制制备大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；在较高温度、高盐碱条件下，大大提高弹簧的耐腐蚀性能。
(2)本发明所述的大线径钛合金弹簧的重量比传统的弹簧钢材质弹簧减轻约40％，实现了轻质的大线径钛合金弹簧，使其可广泛应用于航空、军工等领域。
(3)本发明的大线径钛合金弹簧的线径可达到45mm。
(4)本发明所述的大线径钛合金弹簧耐疲劳性好，疲劳寿命≥30万次；并且，内部组织分布均匀、质量一致性好。
(5)本发明提供的大线径钛合金弹簧的制备方法，工艺流程短、生产周期短、效率高，并且可以有效提高批次弹簧疲劳寿命稳定性(某型号弹簧最高疲劳寿命达到100万次以上)。
附图说明
图1为实施例1制备得到的弹簧的结构示意图；
图2为实施例2制备得到的弹簧的结构示意图。
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
本实施例涉及一种大线径的钛合金弹簧，由包括如下重量份的原料制备而成：Al：3份；Cr：6份；V：8份；Mo：4份；Zr：4份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.012份；Ti余量。
所述大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，进行扒皮抛光处理，得弹簧棒材(φ＝35mm)；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型，卷制方式可以选择冷卷或者热卷(如选用热卷成型，卷制后需进行酸洗)，在氩气保护下加热至520℃时效处理8h后，进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.35mm)，得大线径钛合金弹簧。
所述大线径钛合金弹簧的线径为35mm，中径为158mm，有效圈数为5，总圈数为7，自由高度为390mm。
所述大线径钛合金弹簧的拉伸强度为1463MPa，屈服强度为1430MPa，伸长率为5.8％，断面收缩率为12.1％，抗疲劳次数为100万次，其示意图如图1。
实施例2
本实施例涉及一种大线径的钛合金弹簧，由包括如下重量份的原料制备而成：由包括如下重量份的原料制备而成：Al：3份；Cr：6份；V：8份；Mo：4份；Zr：4份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.012份；Ti余量。
所述大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，进行扒皮抛光处理，得弹簧棒材(φ＝38mm)；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型，卷制方式可以选择冷卷或者热卷(如选用热卷成型，卷制后需进行酸洗)，在氩气保护下加热至520℃时效处理8h后，进行抛丸强化处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.35mm)，得大线径钛合金弹簧；
所述大线径钛合金弹簧的线径为38.1mm，中径为160.3mm，有效圈数为5，总圈数为7，自由高度为431.7mm。
所述大线径钛合金弹簧的拉伸强度为1413MPa，屈服强度为1382MPa，伸长率为7.95％，断面收缩率为12.1％，抗疲劳次数为30万次；其示意图如图2。
对比例1
本对比例涉及一种大线径的钛合金弹簧，与实施例1相比，其区别在于：制备方法中步骤(3)弹簧不进行时效处理，材料强度为≥950MPa。
所述大线径钛合金弹簧的线径为35mm，中径为158mm，有效圈数为5，总圈数为7，自由高度为390mm。
所述大线径钛合金弹簧的拉伸强度为1050MPa，屈服强度为985MPa，伸长率为16.8％，断面收缩率为45.4％，抗疲劳次数为10万次。
对比例2
本对比例涉及一种大线径的钛合金弹簧，与实施例1相比，其区别在于：制备方法中步骤(3)弹簧不进行抛丸处理，材料强度为≥1300MPa。
所述大线径钛合金弹簧的线径为35mm，中径为158mm，有效圈数为5，总圈数为7，自由高度为390mm。
所述大线径钛合金弹簧的拉伸强度为1463MPa，屈服强度为1430MPa，伸长率为5.8％，断面收缩率为12.1％，抗疲劳次数为30万次。
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)

1.一种大线径钛合金弹簧，其特征在于，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～9份；Cr：3～9份；V：6～12份；Mo：2～16份；Zr：2～8份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.12份；Ti余量。
2.根据权利要求1所述的大线径钛合金弹簧，其特征在于，由包括如下重量份的原料制备得到：Al：3～4份；Cr：5.5～6.5份；V：7.5～8.5份；Mo：3.5～4.5份；Zr：3.5～4.5份；Fe：≤0.3份；Si≤0.1份；C：≤0.05份；N：≤0.03份；H：≤0.015份；O：≤0.12份；Ti余量。
3.根据权利要求1或2所述的大线径钛合金弹簧，其特征在于，所述大线径钛合金弹簧的线径为7～45mm；
和/或，所述弹簧为螺旋压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧、螺旋扭簧、扭杆弹簧或螺旋压缩组合弹簧。
4.权利要求1～3任一项所述大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固溶处理后，进行扒皮抛光处理，得弹簧棒材；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型后，进行时效处理；
其中，所述锻造轧制在900～930℃下进行90～120min。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述弹簧棒材的直径为7～45mm。
7.根据权利要求4～6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4～7任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括对经所述时效处理后的弹簧棒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0.35mm。
9.根据权利要求4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，得弹簧棒材；
(3)将所述弹簧棒材进行卷制成型后，在450～540℃下时效处理6～12h后，再进行抛丸强化处理。
10.权利要求1～3任一项所述大线径钛合金弹簧在航空领域中的应用。
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