专利名称：一种弹簧件用钛合金及其制备方法
一种弹簧件用钛合金及其制备方法技术领域
本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种弹簧件用钛合金及其制备方法。
技术背景
钛及钛合金因比强度高、耐蚀等特性而适宜用作弹簧，钛制弹簧尺寸比钢弹簧小 20%、减重40%以上。钛合金弹簧的使用温度范围为_250°C 600°C,是目前耐高、低温幅度最大的一种弹簧；其疲劳强度和屈强比都比较高，对抗裂纹扩展性和抗疲劳性都比不锈钢弹簧要好。
早在70 年代，美国麦·道(Mcdonnell Douglas)公司就开始将 Ti_13V-llCr_3Al (Ti-13-11-3)合金弹簧件用于民用飞机中。与钢弹簧相比，钛弹簧具有弹性模量低和密度小的优点。到了 80年代中期，美国洛克希德(Rockheed)公司也开始在L-1011飞机上使用 Ti-13-11-3 合金弹簧，同时 β -C 钛合金(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr，Ti-38-6-44)也开始成为候选的弹簧材料。β -C合金的性能与Ti-13-11-3的相当，但是成本却大大地降低了。 β -C钛合金主要用作舱门平衡弹簧、飞行控制弹簧、飞机操纵杆弹簧、踏板复位弹簧和液压系统复位弹簧等。
麦·道公司在MD-80和MD-Il飞机上使用了大约300件Ti-13_ll_3合金弹簧和150件β-C合金弹簧。欧洲空中客车Α-330和Α-340飞机上使用了拉伸强度为 1240MPa-1450MPa的β -C合金弹簧，美国波音777飞机上也装有β -C合金弹簧。
美国在80年代初开始注意钛在汽车制造业上的用途，当时福特汽车公司对钛质悬簧、气门弹簧等做了大量评估工作，但是由于成本原因，钛零件始终未能进入大批量生产的车型之中。
为降低成本，美国Timet公司通过在熔炼过程中采用低成本的Mo-Fe中间合金， 开发出一种低成本的β钛合金Timetal LCB，其名义成分为Ti_6. 8Mo_4. 5Fe_l. 5Α1。 TimetalLCB具有极好的强度、延性、抗疲劳等性能。这种合金经时效硬化后的拉伸强度接近 1500MPa。Timetal LCB合金已用作高性能赛车阀门弹簧、雪地汽车的扭力弹簧和Lupo FSI 型汽车悬吊弹簧以及法拉利360蒙迪纳(Modena)改良赛车的托簧、雅马哈YZ型摩托车的减震黃等。
Timet公司生产的钛弹簧可使汽车减重82Kg，钛的强度相当于钢，但比重仅为钢的一半，韧性为钢的2倍，钛弹簧与钢弹簧相比，可减重60% 70%、体积缩小25%，弹簧高度可降低40%。采用商用生产钢弹簧的设备同样可以生产出钛弹簧。
国内研发或仿制的弹簧件用钛合金包括 4、ΤΒ9(β -C)、TB3、Ti26、Ti-B20等，其中TB3和Ti26合金制备的弹簧已有少量民用应用。欧美等发达国家的钛制弹簧已在航空航天、舰船等部门获得大量应用，国内暂无在这些方面批量使用的先例。目前为止，国内外商用弹簧件用钛合金的拉伸强度不高于1500MPa。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有优良机械性能的弹簧件用钛合金。该弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的拉伸强度 Rm≥1500MPa,屈服强度Rpa2≥1400MPa,延伸率A5≥8. 0%，断面收缩率Z≥20%,动态弹性模量EdS llOGPa。采用该弹簧件用钛合金制备的弹簧件的疲劳寿命≥5X IO5次，性能稳定，易于实现工业化生产，能够满足航空航天、船舶、汽车等领域的技术要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝2. 0% 4. 0%，钥2. 0% 4. 0%，钒2. 0% 4. 0%，铬2.0% 4. 0%，铁2. 5% 4. 0%，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝2.9%，钥3. 1%，钒3. 5%，铬2. 5%，铁2. 5%，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝3.8%，钥3. 5%，钒3. 1%，铬2. 2%，铁3. 2%，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝3.9%，钥3. 8%，钒3. 3%，铬3. 1%，铁3. 6%，余量为钛和不可避免的杂质。
另外，本发明还提供了一种制备上述弹簧件用钛合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、A1-60MO中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到钛合金铸锭；
步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭在温度为1050°C 1150°C的条件下进行2 6火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的变形量均为50% 85%，然后将开坯锻造后的钛合金铸锭在温度为730°C 880°C的条件下进行成形锻造或成形轧制，得到钛合金棒坯；所述成形锻造和成形轧制的累计变形量均为75% 95% ；
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯进行固溶处理，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，空冷后得到弹簧件用钛合金。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述开坯锻造和成形锻造采用的设备均为额定压力为1250吨 3150吨的水压机。
上述的方法，其特征在于，步骤二中所述成形轧制采用的设备为四辊可逆式热轧机。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的温度为730°C 830°C，所述固溶处理的时间为15min 60min。
上述的方法，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为480°C 540°C，所述时效处理的时间为4h 12h。
本发明与现有技术相比具有以下优点
I、本发明提供了一种弹簧件用钛合金，该弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的拉伸强度RmS 1500MPa，屈服强度Rpa2彡1400MPa，延伸率A5彡8. 0%，断面收缩率Z ^ 20%，动态弹性模量Ed ^ llOGPa，说明本发明的弹簧件用钛合金具有优良的机械性能。
2、本发明提供了一种弹簧件用钛合金的制备方法，该方法简单易行，成本低廉，适于大规模工业化生产。
3、采用本发明的弹簧件用钛合金制备的弹簧件的疲劳寿命> 5X105次，性能稳定，易于实现工业化生产，能够满足航空航天、船舶、汽车等领域的技术要求。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例I
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成招2. 9%，钥3. 1%，钒3.5%，铬2. 5%，铁2. 5%，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、A1-60MO中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为360mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为3150吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造，开坯锻造采用单向拔长的锻造方式，每火次开坯锻造的变形量均为75%，每火次开坯锻造的终锻温度均为1050°C，得到直径为45mm的锻坯；然后采用四辊可逆式热轧机将所述锻坯在始轧温度为880°C的条件下进行成形轧制，所述成形轧制为孔型轧制，成形轧制的终轧温度为750°C，成形轧制的累计变形量为 94. 6%，得到直径为10. 5mm的钛合金棒坯；
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 790°C，固溶处理的时间为60min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为500°C，时效处理的时间为4h，空冷后得到弹簧件用钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将固溶处理后的弹簧件用钛合金预先进行冷绕加工，然后再进行时效处理，最终得到丝径为9mm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
实施例2
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成铝3. 9%，钥2. 6%，钒2.5%，铬3. 5%，铁2. 8%，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、Al_60Mo中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为280mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为2000吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为iioo°c的条件下进行3火次的开坯锻造，开坯锻造采用单向拔长的锻造方式，各火次开坯锻造的变形量分别为75%，75%，56. 8%，每火次开坯锻造的终锻温度均为1050°C，得到直径为46mm的锻坯；然后采用四辊可逆式热轧机将所述锻坯在始轧温度为850°C的条件下进行成形轧制，所述成形轧制为孔型轧制，成形轧制的终轧温度为730°C，成形轧制的累计变形量为75%，得到直径为23mm的钛合金棒坯；5
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 780°C，固溶处理的时间为60min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为500°C，时效处理的时间为4h，空冷后得到弹簧件用钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将固溶处理后的弹簧件用钛合金预先进行冷绕加工，然后再进行时效处理，最终得到丝径为20mm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
实施例3
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成铝3. 8%，钥3. 5%，钒3.1%，铬2. 2%，铁3. 2%，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、Al_60Mo中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为480mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为3150吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为iioo°c的条件下进行6火次的开坯锻造，开坯锻造采用单向拔长的锻造方式，各火次开坯锻造的变形量分别为75%，60%，55%，55%，55%，50%,每火次开坯锻造的终锻温度均为 1050°C，得到直径为32. 4mm的锻坯；然后采用额定压力为1250吨的水压机将所述锻坯在始锻温度为880°C的条件下进行成形锻造，成形锻造采用拔长和滚圆的锻造方式，终锻温度为 730°C，成形锻造的累计变形量为93. 9%，得到直径为8mm的钛合金棒坯；
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 800°C，固溶处理的时间为30min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为500°C，时效处理的时间为4h，空冷后得到弹簧件用钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金拉丝后冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将未经固溶时效处理的弹簧件用钛合金(即钛合金棒坯)预先进行拉丝，然后依次进行固溶处理、 冷绕加工和时效处理，最终得到丝径为3. 5mm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
实施例4
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成铝3. 9%，钥3. 8%，钒3.3%，铬3. 1%，铁3. 6%，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、A1-60MO中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为360mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为3150吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为iioo°c的条件下进行5火次的开坯锻造，其中第I火次开坯锻造采用两镦两拔的锻造方式，变形量为59. 9%，第2至5火次开坯锻造采用单向拔长的锻造方式，变形量均为75%， 每火次开坯锻造的终锻温度均为1050°C，得到直径为28. 5mm的锻坯；然后采用额定压力为 3150吨的水压机将所述锻坯在始锻温度为880°C的条件下进行成形锻造，成形锻造采用拔长和滚圆的锻造方式，终锻温度为730°C，成形锻造的累计变形量为90%，得到直径为9mm的钛合金棒还;
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 780°C，固溶处理的时间为30min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为540°C，时效处理的时间为8h，空冷后得到弹簧件用钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金拉丝后冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将未经固溶时效处理的弹簧件钛合金(即钛合金棒坯)预先进行拉丝，然后依次进行固溶处理、冷绕成形和时效处理，最终得到丝径为O. 55mm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
实施例5
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成铝4. 0%，钥2. 0%，钒4.0%，铬2. 0%，铁2. 5%，余量为钛和不可避免的杂质。
本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、Al_60Mo中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为220mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为1250吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造，开坯锻造采用三镦三拔的锻造方式，各火次开坯锻造的变形量分别为75%，75%，64%，每火次开坯锻造的终锻温度均为1050°C，得到直径为33mm的锻坯；然后采用四辊可逆式热轧机将所述锻坯在始轧温度为880°C的条件下进行成形轧制，所述成形轧制为孔型轧制，成形轧制的终轧温度为750°C，成形轧制的累计变形量为95%，得到直径为7. 4mm的钛合金棒坯；
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 830°C，固溶处理的时间为15min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为540°C，时效处理的时间为4h，空冷后得到弹簧件用钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金拉丝后冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将未经固溶时效处理的弹簧件钛合金(即钛合金棒坯)预先进行拉丝加工，然后依次进行固溶处理、冷绕加工和时效处理，最终得到丝径为5mm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
实施例6
本实施例的弹簧件用钛合金，由以下质量百分比的成分组成铝2. 0%，钥4. 0%，钒2.0%，铬4. 0%，铁4. 0%，余量为钛和不可避免的杂质。本实施例的弹簧件用钛合金的制备方法包括以下步骤
步骤一、分别称取A1-85V中间合金、Al_60Mo中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为160mm的钛合金铸锭；
步骤二、采用额定压力为1250吨的水压机将步骤一中所述钛合金铸锭在始锻温度为1150°C的条件下进行2火次的开坯锻造，开坯锻造采用单向拔长的锻造方式，每火次开坯锻造的变形量均为85%，每火次开坯锻造的终锻温度均为1050°C，得到直径为24mm的锻坯；然后采用四辊可逆式热轧机将所述锻坯在始轧温度为880°C的条件下进行成形轧制，所述成形轧制为孔型轧制，成形轧制的终轧温度为730°C，成形轧制的累计变形量为 77%，得到直径为11. 5mm的钛合金棒坯；
步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯首先经过固溶处理，固溶处理的温度为 730°C，固溶处理的时间为60min，固溶处理的冷却方式为空冷，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，时效处理的温度为480°C，时效处理的时间为12h，空冷后得到弹簧件用 钛合金。
本实施例的弹簧件用钛合金在室温23°C ±2°C条件下的机械性能见表I。将本实施例的弹簧件用钛合金冷绕成形能够得到圆柱螺旋压缩弹簧件。本实施例先将固溶处理后的弹簧件用钛合金预先进行冷绕加工，然后再进行时效处理，最终得到丝径为IOmm的圆柱螺旋压缩弹簧件；所述圆柱螺旋压缩弹簧件的性能测试数据见表2。
表I本发明的弹簧件用钛合金的室温(23±2°C)机械性能测试数据
权利要求
1.一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝2. 0% 4. 0%， 钥2. 0% 4. 0%,钒2. 0% 4. 0%,铬2. 0% 4. 0%,铁2. 5% 4. 0%,余量为钛和不可避免的杂质。
2.根据权利要求I所述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝2. 9%，钥3. 1%，钒3. 5%，铬2. 5%，铁2. 5%，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求I所述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝3. 8%，钥3. 5%，钒3. 1%，铬2. 2%，铁3. 2%，余量为钛和不可避免的杂质。
4.根据权利要求I所述的一种弹簧件用钛合金，其特征在于，由以下质量百分比的成分组成铝3. 9%，钥3. 8%，钒3. 3%，铬3. 1%，铁3. 6%，余量为钛和不可避免的杂质。
5.一种制备如权利要求I至4中任一项权利要求所述的弹簧件用钛合金的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、分别称取A1-85V中间合金、A1-60MO中间合金、纯铝、纯铬、纯铁和海绵钛，混合后压制成自耗电极，然后将所述自耗电极置于真空自耗电弧熔炼炉中进行三次真空自耗电弧熔炼，得到钛合金铸锭；步骤二、将步骤一中所述钛合金铸锭在温度为1050°C 1150°C的条件下进行2 6火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的变形量均为50% 85%，然后将开坯锻造后的钛合金铸锭在温度为730°C 880°C的条件下进行成形锻造或成形轧制，得到钛合金棒坯；所述成形锻造和成形轧制的累计变形量均为75% 95% ；步骤三、将步骤二中所述钛合金棒坯进行固溶处理，然后将固溶处理后的钛合金棒坯进行时效处理，空冷后得到弹簧件用钛合金。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述开坯锻造和成形锻造采用的设备均为额定压力为1250吨 3150吨的水压机。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤二中所述成形轧制采用的设备为四辊可逆式热轧机。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述固溶处理的温度为730°C 830°C,所述固溶处理的时间为15min 60min。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤三中所述时效处理的温度为480°C 540°C，所述时效处理的时间为4h 12h。
全文摘要
本发明提供了一种弹簧件用钛合金，由以下质量比的成分组成铝2.0%～4.0%，钼2.0%～4.0%，钒2.0%～4.0%，铬2.0%～4.0%，铁2.5%～4.0%，余量为钛和不可避免的杂质。本发明还提供了该钛合金的制备方法如下一、按质量比称取原料并压制成自耗电极，经三次真空自耗电弧熔炼后得到铸锭；二、将铸锭进行开坯锻造，再经过成形锻造或成形轧制后得到棒坯；三、将棒坯经过固溶和时效处理，得到弹簧件用钛合金。本发明简单易行，成本低廉，适于大规模工业化生产；本发明的弹簧件用钛合金具有优良的机械性能；采用本发明制备的弹簧件的疲劳寿命≥5×105次，性能稳定，易于实现工业化生产。
文档编号C22C1/02GK102936673SQ201210520510
公开日2013年2月20日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者曾立英, 葛鹏, 李倩, 周伟, 赵永庆, 毛小南, 戚运莲 申请人:西北有色金属研究院