CN111425544A - 一种低成本钛合金弹簧及其制备方法与应用 - Google Patents

一种低成本钛合金弹簧及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于弹簧技术领域，具体涉及一种低成本钛合金弹簧及其制备方法与应用；所述低成本钛合金弹簧，其制备材料采用α～β型钛合金，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～7份、V：1～6份、Fe：≤2.5份、C：≤0.2份、N：≤0.1份、H：≤0.02份、O：≤0.4份、Ti余量。本发明所述弹簧制备成本低，在较高温度、高盐碱条件下具有较好耐腐蚀性能；重量比弹簧钢减轻约40％；弹簧线径最大可以制作超过45mm；而且本发明所述的弹簧耐疲劳性好，疲劳寿命可以≥50万次。

Description

一种低成本钛合金弹簧及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于弹簧技术领域，具体涉及一种低成本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，但是同时，也由于β类钛合金强度较大，使其较难进行扒皮、抛光处理。同时，由于β类钛合金里面有一定比例的Cr、V、Mo、Zr等较昂贵的元素加入，使其原材料成本大幅度增加。
综上所述，开发一种轻质、高性能、低成本的钛合金弹簧尤为必要。
发明内容
针对现有技术中的钛合金弹簧存在的成本高的问题，本发明提供一种低成本钛合金弹簧。
本发明所述的低成本钛合金弹簧，其制备材料采用α～β型钛合金，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～7份、V：1～6份、Fe：≤2.5份、C：≤0.2份、N：≤0.1份、H：≤0.02份、O：≤0.4份、Ti余量。
本发明所述的低成本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，所述低成本钛合金弹簧由包括如下重量份的组分制备得到：Al：5.5～6.8份，V：3.5～4.5份，Fe：≤0.3份，C：≤0.1份，N：≤0.05份，H：≤0.015份，O：≤0.2份，余量为Ti。
作为优选，所述低成本钛合金弹簧由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3.5～4.5份，V：2.0～3.0份，Fe：1.2～1.8份，C：≤0.08份，N：≤0.03份，H：≤0.015份，O：0.2～0.3份，余量为Ti。
作为优选，所述低成本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低成本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弹簧固溶时易变形的情况，同时使弹簧材料强度达到所需要的水平，进而保障了钛合金弹簧的各方面优异性能。
具体而言，所述制备方法包括如下步骤：将各组分混合物进行多道次锻造轧制加工得棒材，将所述棒材进行如下处理：
1)退火处理，退火温度为700～850℃，退火时间为30～120min；
2)固溶处理，固溶温度为850～970℃，固溶时间为20～120min。
在上述条件下进行处理，可提高弹簧棒材强度，降低材料加工应力，使制得的弹簧疲劳寿命更高。
作为优选的操作方案，所述制备方法包括如下步骤：
1)将所述组分混合均匀后进行热轧处理得到棒材，对所述棒材进行退火处理；
2)将所述退火处理后的棒材进行固溶处理和冷变形强化处理，使材料的强度大于1000MPa，再进行扒皮、抛光处理获得弹簧原材料；
3)将所述弹簧原料卷制成簧，然后进行真空或惰性气体的保护处理，最后进行抛丸处理，得所述低成本钛合金弹簧。
通过冷变形强化处理，使材料的强度大于1000MPa，可以使弹簧得到较高的疲劳寿命。
作为优选，所述冷变形强化处理的方式包括冷拉、冷轧、冷旋锻的一种或几种组合。
作为优选，所述真空或惰性气体的保护处理的条件为：在真空或惰性气体条件下加热450～600℃，加热时间为2～10h。
作为优选，所述抛丸处理为抛丸强度为A型阿尔曼试片弧高需大于0.35mm。
本发明所述弹簧成型过程中采用冷加工或热加工的方式进行成型，或采用冷弯机或者热弯机进行扭杆弹簧成型。
本发明还提供上述低成本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)采用低成本钛合金替代高成本钛合金卷制弹簧，降低成本。
(2)大大提高弹簧的耐腐蚀性能。
(3)重量比弹簧钢减轻约40％
(4)本发明所述材料具有优异的耐疲劳性，耐疲劳寿命可以≥50万次。
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
本实施例涉及一种低成本钛合金弹簧，其制备材料采用α～β型钛合金，由包括如下重量份的原料制备而成：Al：6份，V：4份，Fe：≤0.3份，C：≤0.1份，N：≤0.05份，H：≤0.015份，O：≤0.2份，余量为Ti；
所述低成本钛合金弹簧的制备方法如下：
(1)将各组分混合均匀后在930℃下热轧处理90min得到棒材，对所述棒材在770℃下退火处理90min；
(2)将所述退火处理后的棒材在930℃下固溶处理60min后，进行冷拉处理，得冷变形坯(拉伸强度为＞1000Mpa)；
(3)将所述冷变形坯进行扒皮、抛光处理，得弹簧原材料；
(4)采用冷卷机对所述弹簧原材料进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至500℃，加热时间为2～10h，再进行抛丸处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.35mm)，得低成本钛合金弹簧。
所述低成本钛合金弹簧的线径为24.5mm，中径为142mm，有效圈数为14.5，总圈数为16，自由高度为807mm。
所述低成本钛合金弹簧的拉伸强度为1100MPa，屈服强度为1000MPa，伸长率为10％，断面收缩率为20％，抗疲劳次数为100万次，其示意图如图1。
实施例2
本实施例涉及一种低成本钛合金弹簧，其制备材料采用α～β型钛合金，由包括如下重量份的原料制备而成：Al：4份，V：2.5份，Fe：1.5份，C：≤0.08份，N：≤0.03份，H：≤0.015份，O：0.2～0.3份，余量为Ti。
所述低成本钛合金弹簧的制备方法如下：
(1)将各组分混合均匀后在930℃下热轧处理90min得到棒材，对所述棒材在770℃下退火处理90min；
(2)将所述退火处理后的棒材在930℃下固溶处理60min后，进行冷拉处理，得冷变形坯(拉伸强度为＞1000Mpa)；
(3)将所述冷变形坯进行扒皮、抛光处理，得弹簧原材料；
(4)采用冷卷机对所述弹簧原材料进行弹簧冷成型后，在氩气保护下加热至500℃，加热时间为8h，再进行抛丸处理(强度控制在A型阿尔曼试片弧高为≥0.35mm)，得低成本钛合金弹簧。
所述低成本钛合金弹簧的线径为31.5mm，中径为182mm，有效圈数为3.5，总圈数为5，自由高度为275mm。
所述低成本钛合金弹簧的拉伸强度为1100MPa，屈服强度为1000MPa，伸长率为10％，断面收缩率为20％，抗疲劳次数为100万次，其示意图如图2。
对比例1
本对比例涉及一种低成本钛合金弹簧，与实施例1相比，其区别在于：制备方法中步骤(4)不进行热处理，材料强度为≥950MPa。
所述低成本钛合金弹簧的线径为24.5mm，中径为142mm，有效圈数为14.5，总圈数为16，自由高度为807mm。
所述低成本钛合金弹簧的拉伸强度为985MPa，屈服强度为925MPa，伸长率为10％，断面收缩率为25％，抗疲劳次数为30万次。
对比例2
本对比例涉及一种低成本钛合金弹簧，与实施例1相比，其区别在于：制备方法中步骤(4)不进行抛丸处理，材料强度为≥1000MPa。
所述低成本钛合金弹簧的线径为24.5mm，中径为142mm，有效圈数为14.5，总圈数为16，自由高度为807mm。
所述低成本钛合金弹簧的拉伸强度为1100MPa，屈服强度为100％，伸长率为10％，断面收缩率为20％，抗疲劳次数为50万次。
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)

1.一种低成本钛合金弹簧，其特征在于，其制备材料采用α～β型钛合金，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3～7份、V：1～6份、Fe：≤2.5份、C：≤0.2份、N：≤0.1份、H：≤0.02份、O：≤0.4份、Ti余量。
2.根据权利要求1所述的低成本钛合金弹簧，其特征在于，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：5.5～6.8份，V：3.5～4.5份，Fe：≤0.3份，C：≤0.1份，N：≤0.05份，H：≤0.015份，O：≤0.2份，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的低成本钛合金弹簧，其特征在于，由包括如下重量份的组分制备得到：Al：3.5～4.5份，V：2.0～3.0份，Fe：1.2～1.8份，C：≤0.08份，N：≤0.03份，H：≤0.015份，O：0.2～0.3份，余量为Ti。
4.根据权利要求1～3任一项所述的低成本钛合金弹簧，其特征在于，所述低成本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。
5.权利要求1～4任一项所述低成本钛合金弹簧的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将各组分混合物进行多道次锻造轧制加工得棒材，将所述棒材进行如下处理：
1)退火处理，退火温度为700～850℃，退火时间为30～120min；
2)固溶处理，固溶温度为850～970℃，固溶时间为20～120min。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将所述组分混合均匀后进行热轧处理得到棒材，对所述棒材进行如权利要求4所述的退火处理；
2)将所述退火处理后的棒材进行如权利要求4所述的固溶处理和冷变形强化处理，使材料的强度大于1000MPa，再进行扒皮、抛光处理获得弹簧原材料；
3)将所述弹簧原料卷制成簧，然后进行真空或惰性气体的保护处理，最后进行抛丸处理，得所述低成本钛合金弹簧。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述冷变形强化处理的方式包括冷拉、冷轧、冷旋锻的一种或几种组合。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述真空或惰性气体的保护处理的条件为：在真空或惰性气体条件下加热450～600℃，加热时间为2～10h。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述抛丸处理为抛丸强度为A型阿尔曼试片弧高需大于0.35mm。
10.权利要求1～4任一项所述的低成本钛合金弹簧在航空领域中的应用。
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