【綜述】鈦及鈦合金在汽車輕量化研發領域的前景及實際應用

化石

2017年6月26日 10:40

輕質材料、金屬基復合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上決定了汽車的發展趨勢，是汽車技術發展的重要方面。鈦及鈦合金作為結構功能性材料，是汽車實現輕量化和高性能、高功能的理想選材。隨著鈦工業的發展，鈦材終將在汽車領域占據重要地位。汽車用鈦市場潛力不容小覷。

一、鈦合金的優點

鈦合金具有優異的綜合性能，密度小，比強度高。鈦的密度為4.51g/cm3，介于鋁(2.7g/cm3)和鐵(7.6g/cm3)之間。鈦合金的比強度高于鋁合金和鋼，韌性也與鋼鐵相當。鈦及鈦合金抗蝕性能好，優于不銹鋼，特別是在海洋大氣環境中抵抗氯離子的侵蝕和微氧化氣氛下耐蝕性好，鈦合金的工作溫度較寬，低溫鈦合金在-253℃還能保持良好的塑性，而耐熱鈦合金的工作溫度可達550℃左右，其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂合金。同時具有良好的加工性、焊接性能。

二、鈦合金在汽車上的應用

盡管鈦合金已廣泛應用于航空航天、石油化工以及艦船工業上，但是在汽車工業中的應用卻發展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第一輛全鈦汽車開始，鈦制汽車零部件直到20世紀80年代才達到批量生產的水平，90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加，鈦制零部件才得到了飛快發展。

鈦在汽車上的用途主要分兩大類：

第一類是用來減少內燃機往復運動件的質量（對于往復運動的內燃機零件來講，即使減少幾克質量都是重要的）；

第二類是用來減少汽車總質量。根據設計和材料特性，新一代汽車上鈦主要分布在發動機元件和底盤部件上。在發動機系統，鈦可制作閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件；在底盤部件主要為彈簧、排氣系統、半軸和緊固件等。

目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用↓↓↓

1、發動機連桿

鈦合金是連桿用材料的理想選擇。發動機的連桿對材料的強度、疲勞性能、剛度( 特別是大頭端) 及耐磨性能都有嚴格的要求，鈦連桿質量的減輕, 結合以質輕的活塞和活塞銷, 使噪聲、震顫、車身跳動明顯減輕, 改善了發動機的工作性能。同時, 這些零件如果用鈦制造,還可以提高發動機的工作溫度。活塞銷要求材料具有一定的強度、耐磨性能、高剛度和耐高溫, 目前最佳選擇是密度低、高溫強度高、生產成本相對不高的金屬間化合物γ-TiAl。對更高速度的發動機而言, 其氣門傳動機構也以使用抗蠕度、抗氧化的鈦材為宜。尤其是使用γ-鋁化鈦作氣門彈簧, 除減輕質量, 還可將發動機速度提高10%。

2、發動機氣門

用鈦合金制造的汽車發動機氣門，不但能減輕質量、延長使用壽命，而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比，質量可減少30%～40%，發動機極限轉速可提高20%。就目前的應用而言，進氣門的材料以Ti－6A l－4V為主，排氣門的材料以Ti－6242S為主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到較低的脆性和較高的強度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強淬火及時效鈦合金的強度，同時增加硬度。

3、氣門彈簧座

高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能，β鈦合金為熱處理型合金，能通過固溶時效處理來獲得很高的強度，相應的比較適合的材料有Ti·15V－3Cr－3Al－3Sn與Ti－15Mo－3Al－2.7Nb－0.2Si。三菱汽車在其規模化生產汽車上使用Ti－22V－4Al鈦合金汽門彈簧座，較原鋼制鎖扣減輕了42%的質量，氣門機構減少了6%的慣性質量，發動機最大轉速增加了300r/min。

4、鈦合金彈簧

鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量，σs/E值大，適合制造彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功的前提下，鈦制彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，質量僅為鋼制彈簧的30%～40%，便于車體設計。另外，鈦合金優異的疲勞性能和耐蝕性能可提高彈簧的使用壽命。目前，可用來制造汽車用彈簧的鈦合金材料有Ti－4.5Fe6.8Mo－1.5Al和Ti－13V11C－3Al等。

5、渦輪增壓器

渦輪增壓器可以提高發動機的燃燒效率并增強發動機的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機轉子需要長期工作在850℃以上的高溫廢氣中，因此要求有很好的耐熱性。傳統的如鋁合金等輕金屬，因熔點較低而無法使用。雖然陶瓷材料因為重量輕且耐高溫性佳而在輪機轉子上得到應用，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使其應用受限。為了解決這些問題，Tetsui等人研發了TiAl輪機轉子，經過多次試驗驗證，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善發動機的加速性。此項設計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業化應用。

6、排氣系統及消聲器

鈦在汽車的排氣系統中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統與鋼制排氣系統相比，質量可減少約40%。在Go1f系列汽車中，鈦制排氣系統質量可減少7～9kg，目前排氣系統使用的鈦材主要為工業純鈦。

鈦制消聲器質量只有5～6kg，比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統代替原來20kg的不銹鋼系統，質量減輕了41%。替代后的系統強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業純鈦。