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钛合金弹簧简介

2017-11-22 10:19:23 

一、弹簧材料的要求

弹簧是一种比较特殊的零件,它的使用应力应小于材料的弹性极限,因此要求材料有高的弹性极限。导致弹簧失效的原因不外乎内部因素与外部因素,内部因素主要是制造弹簧的材质优劣与热处理是否得当,直接影响弹簧的寿命;外部因素主要是制造弹簧的丝材、带材的表面质量,丝材表面的微裂纹尤其是表面腐蚀坑会成为裂纹源,在变化的工作应力作用下,导致弹簧因腐蚀疲劳而断裂。

钛合金具有较高的比强度、较低的弹性模量,是一种理想的弹簧材料。与钢弹簧相比,钛弹簧具有质量轻、体积小和共振频率高等优点,其密度和弹性模量只有钢弹簧的一半,而强度几乎与钢弹簧的一样。由于这些特点,在实际应用中可将钛弹簧设计的比钢弹簧直径小、圈数少。就弹簧而言,强度高是对材料最重要的性能要求,所以高强度的β钛合金,如Ti-3Al-8V-6Cr-4M o-4ZrTimetal LCBTi-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al)合金是制造弹簧的最佳材料。用钛弹簧代替钢弹簧可以轻而易举地解决长期以来一直困扰着设计者们的钢制弹簧太长、直径太大的问题,而且因为钛合金具有优异的抗腐蚀性能,所以可以取消涂层,从而进一步降低质量。目前,一些跑车已使用了钛弹簧。例如,Timetal LCB弹簧已在Ford & Simon赛车中使用2年以上,减轻质量36 kg左右。

弹簧用钛合金的研究发现,几乎所有的钛合金均可用来制作弹簧,但由于α+β类钛合金强度较低,而β类钛合金易于拉拔制成线材,成形后经时效处理可成为高强度材料,因此,目前最理想的钛合金弹簧材料是β型钛合金。

二、钛合金弹簧应用概况

国外对弹簧及紧固件用新型超高强钛合金的研究非常重视,代表性的有TIMET公司针对飞机框架和发动上的超高强紧固件应用开发的T i- 6V-6M o- 5.17Fe- 2.17Al ( TIMETAL125)合金。指标要求其强化后的抗拉强度1586MPa,剪切强度860MPa,延伸率7%。从资料公布的数据看,该合金的性能同指标要求相比富裕量不足,但尚未见相关的应用报道。为降低成本,美国通过在熔炼过程中采用低成本的钼铁母合金,开发出一种低成本的β钛合金Timetal LCB,其 名 义 成 分 为T i- 4.5Fe6.8Mo -1.5Al。因为疲劳是弹簧材料很重要的指标之一,Timetal LCB具有极好的强度、延性、抗疲劳等方面的综合性能,经时效硬化后的拉伸强度在1500MPa以上,光滑试样(K t = 1)的疲劳极限接近1 000MPa,因此适宜制作弹簧。该合金可热轧,TimetalLCB钛合金制弹簧与钢制弹簧的性能比,在许用应力相同的情况下,使用钛合金弹簧的最大好处是减重。Timetal LCB钛合金是一种专门为汽车弹簧设计的专用合金,是当是当最具代表性的非航空应用高强β钛合金,其最重要的应用方向为汽车弹簧。该合金具有密度低、弹性模量小、耐腐蚀的特点,无需昂贵的冷加工和长时间的时效处理,用于汽车零部件显现出优异的耐腐蚀性,且不需涂防护漆。

近年来,钛合金弹簧在汽车行业得到较好的运用,制造汽车悬架弹簧和气门弹簧、气门,用钛合金制造板簧能与抗拉强度达2 100 M Pa的高强度钢媲美,自重降低20%Ti-13V-11C-3Al等合金的开发,可用于发动机气门弹簧、悬架弹簧上。用钛制造的弹簧已开始在一级方程式赛车上、竞赛用摩托车以及最高级的法拉利汽车上应用。在不久的将来,轻型汽车的发动机阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上将获得更多应用。钛及钛合金应其具有优异的物理和力学性能,能够明显地改进性能和延长使用寿命,使汽车发动机的底盘质量明显减轻了,在材料竞争价值及优越性方面找不出第二种材料。与钢和传统的汽车弹簧材料相比,钛具有质量轻、耐蚀性好和剪切模量低等优点,钛弹簧在使用时几乎不发生线圈旋转。

目前,在航空、航天领域运用钛合金弹簧耐腐蚀、耐高温、高强度、高弹性、无磁性、低后效、反映灵敏等优点,已被广泛应用。Ti-3Al-8V-6Cr-4M o-4Zr(β-C)合金广泛用作弹簧,钛弹簧质量只有钢弹簧的30%,弹簧圈数可减少,体积只是钢弹簧的一半。航天用β型钛合金丝,质量轻,强度高,耐腐蚀。美国航天飞机已经采用。Ti-6Al-4V合金虽有较好的综合性能,但其冷加工性能差、强度、塑性、韧性及淬透性偏低,为此,又开发了一系列新型结构钛合金。近年来得到较快发展的β钛合金是Ti-10V-2Fe-3AlTi-15V-3Cr-3Al-3Sn,这两种钛合金因具有高的结构效益、可靠性及良好的加工性能而受到航空界的重视。前者适于做航空锻件,目前已在波音757737A300A320F14F18BIB上得到应用;后者冷加工性及冷成形性优异,适于制成薄板及带材,也可制成锻件、棒材及管材,目前已用于飞机短舱、紧固件、液压管、弹簧、直升机旋翼等。β钛合金由于具有良好的冷热成形性、时效强化明显、腐蚀抗力高等优异的综合性能成为高强钛弹簧的理想选择。最早实用的β钛合金是美国在20世纪60年代开发的Ti-13V-11C r-3AlTi-13-11-3)合金。麦道公司在20世纪70年代开始采用冷加工加时效状态的Ti-13-11-3合金制造弹簧,用在民用飞机上。与钢弹簧相比,它具有较低的弹性模量和密度,大约减重70%,节约空间50%Ti-3Al-8V-6Cr-4M o-4Zr合金最初的商业应用也是航空弹簧,在20世纪80年代早中期,即开始用Ti-38-6-44 (β-C)弹簧取代Ti-13-11-3。从M D-11M D-80,麦道公司使用了约300Ti-13-11-3部件和150Ti-38-6-44部件,而C-17上所有弹簧都是Ti-38-6-44。波音公司也逐步用Ti-38-6-44取代不锈钢弹簧。空中客车A -330A -340安装有该合金制作的弹簧,包括起落架的上下锁弹簧、门平衡弹簧、控制限度和飞行高度的弹簧等。欧洲空中客车A -330A -340飞机上使用了β-C合金弹簧(用在强度范围为1 2401 450 M Pa),美国波音- 777飞机上也装有β-C合金弹簧。

三、我国钛合金弹簧研制情况

国内对高强β钛合金的研制最初以仿制为主,不过自20世纪70年代以来逐渐形成了自己的合金体系,其中以北京有色金属研究院研制的Ti-5M o-5V -8Cr-3A lTB2)和西北有色金属研究院开发的Ti-10Mo-8V-1Fe-315AlTB3)获得了最多的应用,但其可用强度水平均低于1400M Pa。西北有色金属研究院研发了TB3Ti-B20Ti- B19Ti-26Ti-1300Ti40TC21Ti-451等多种高强钛合金,涵盖了1 0001 500 M Pa的强度范围,并通过研制积累了大量的数据资料及丰富的经验。Ti-B20合金具有较好的综合性能,是一种高强度、高冲击韧性的亚稳β型钛合金。固溶处理后,合金的R m9191 003 M PaRP0.2875990 M PaA16%18%;时效后,合金具有极高的强度与塑性的匹配,在1 566 M Pa强度水平下,延伸率可高达8%。西北有色金属研究院研发的另一种新型的高强度抗疲劳紧固件用近β型Ti-26钛合金,其R m1 400 M PaRP0.2 1 300M PaA10%Z30%,τ=830 M Pa,具有强度高、耐腐蚀、可焊性好、可冷成形及优异的抗疲劳破断能力等特点。为满足相关部门的应用需求,20世纪90年代初期,西北有色金属研究院采用α+β型钛合金TC4、β型钛合金βCTB3合金试制螺旋压缩弹簧。与相同尺寸的QSn615- 011 (锡青铜)比较,钛合金弹簧具有更高的耐蚀性、疲劳强度和弹簧塑性。近年来又进行了Ti26Ti- B 20合金弹簧的绕制工作。所研制的钛合金弹簧的疲劳寿命均超过50万次。其中TC4TB3bTi - 38644已用做阀簧和化工用泵进液阀弹簧等。西北有色金属研究院还采用TiNi形状记忆合金制成动作行程大的螺旋压缩弹簧作温控阀,用做温控开关使用;20世纪90年代初,还研制出TC4钛合金板弹簧。TC4钛合金板弹簧是某种地层倾角仪液压推靠器的重要部件,在温度为200℃以及钻井中的岩浆和有腐蚀性的条件下工作,推靠器上测量,极板的伸张由弹簧提供推力。

四、存在的问题:

国内航空及汽车工业的飞速发展为高强钛合金弹簧的应用提供了巨大的市场空间,但获得大量应用的关键在于合金性能的提高以及制备工艺成本的降低,从而满足弹簧和汽车制造商的需要。钛合金弹簧的绕制与常规绕制方法基本 一样,但它具有两大工艺特性:钛合金弹簧在冷绕时的回弹量比碳素钢和不锈钢都大;热处理后钛合金弹簧外径的扩涨也比不锈钢要大,这是选择芯轴与确定绕制外径尺寸须考虑的因素之一。若能采用生产钢弹簧的设备来生产钛弹簧,则其成本就可降至可接受的程度。如大众公司选择制造商Muhr公 司 和Bender公司,改造了其钢弹簧生产线以适应钛制弹簧的生产。结果,使用低成本的β合金Timetal LCB比传统β合金便宜了50% ,其质量只有相同的钢弹簧的1/3,且具有最优的疲劳 寿命。使用 钛制弹簧后,大众2001 Lupo FSI型汽车的 质量比标 准Lupo车型减少了8116 kgT i metalLCB制造的汽车弹簧与钢质弹簧比,质量减少60% ,体积缩小25%。预料Timetal LCB在气门弹簧、悬簧等的生产中只要达到足够的生产规模,其价格将会下降到与纯钛(工业级)接近的水平。另外,有待开发新型低成本β型钛合金,以使钛悬置弹簧的应用扩大至批量生产的汽中。

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