鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用-行業(yè)動態(tài)-鈦餅-鈦環(huán)-鈦換熱器-鈦反應(yīng)釜-寶雞億沐鑫新材料有限公司

近些年來，隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車產(chǎn)生的油耗、環(huán)保和安全的問題日益受到人們的關(guān)注。展望未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向，輕量化、油耗低及排放少是發(fā)展的主題。根據(jù)國際權(quán)威部門統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質(zhì)量，盡管目前高強(qiáng)度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復(fù)合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經(jīng)發(fā)揮了作用，但是工業(yè)用鈦材料的出現(xiàn)使得汽車制造有了更好的選擇。

鈦金屬具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好的優(yōu)點(diǎn)，汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質(zhì)量，降低燃料消耗，提高發(fā)動機(jī)的工作效率，改善環(huán)境和降低噪聲。但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業(yè)中只能在豪華車型和跑車上有一些應(yīng)用，在普通汽車上鮮有應(yīng)用。因此，研究與開發(fā)適應(yīng)市場需要的低成本鈦合金是推動其應(yīng)用于普通家用汽車的關(guān)鍵。

盡管鈦合金已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工以及艦船工業(yè)上，但是在汽車工業(yè)中的應(yīng)用卻發(fā)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(jì)80年代才達(dá)到批量生產(chǎn)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(fā)展。1990年全世界汽車用鈦量僅為50t，1997年達(dá)到了500t，2002年達(dá)到了1100t，2009年達(dá)到了3000t，預(yù)計2015年全世界汽車用鈦量將突破5000t。目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。

1. 發(fā)動機(jī)連桿鈦合金是連桿用材料的理想選擇。

用鈦合金制造的發(fā)動機(jī)連桿能有效減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，提高燃油利用率和減少排氣量。相比于鋼制連桿，鈦制連桿可減輕15%～20%的質(zhì)量。鈦合金連桿的應(yīng)用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發(fā)動機(jī)上得到了體現(xiàn)。鈦合金連桿所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等，其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在連桿中的應(yīng)用也在研發(fā)中。

2.發(fā)動機(jī)氣門

用鈦合金制造的汽車發(fā)動機(jī)氣門，不但能減輕質(zhì)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(zhì)量可減少30%～40%，發(fā)動機(jī)極限轉(zhuǎn)速可提高20%。就目前的應(yīng)用而言，進(jìn)氣門的材料以Ti-6Al-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(qiáng)度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強(qiáng)淬火及時效鈦合金的強(qiáng)度，同時增加硬度。其他具有發(fā)展?jié)摿Φ拟伜辖鹩校?/span>
1）進(jìn)氣門可采用Ti-62S，其特性相當(dāng)于Ti-6Al-4V，且價格較便宜。
2）排氣門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si，因?yàn)檩^低的Mo含量，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優(yōu)，耐氧化溫度可達(dá)600℃。
3）排氣門可采用γ-TiAl，其具有耐高溫及重量輕的特點(diǎn)，但加工時不適合用傳統(tǒng)的鍛造法，僅適合采用鑄造法與粉末冶金法加工。

3.氣門彈簧座

高強(qiáng)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(qiáng)度，相應(yīng)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(guī)模化生產(chǎn)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(zhì)量，氣門機(jī)構(gòu)減少了6%的慣性質(zhì)量，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)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(zhì)量僅為鋼制彈簧的30%～40%，便于車體設(shè)計。另外，鈦合金優(yōu)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(fā)動機(jī)的燃燒效率并增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機(jī)轉(zhuǎn)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(tǒng)的如鋁合金等輕金屬，因熔點(diǎn)較低而無法使用。雖然陶瓷材料因?yàn)橹亓枯p且耐高溫性佳而在輪機(jī)轉(zhuǎn)子上得到應(yīng)用，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使其應(yīng)用受限。為了解決這些問題，Tetsui等人研發(fā)了TiAl輪機(jī)轉(zhuǎn)子，經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善發(fā)動機(jī)的加速性。此項(xiàng)設(shè)計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業(yè)化應(yīng)用。

6.排氣系統(tǒng)及消聲器

鈦在汽車的排氣系統(tǒng)中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統(tǒng)，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質(zhì)量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統(tǒng)與鋼制排氣系統(tǒng)相比，質(zhì)量可減少約40%。在Golf系列汽車中，鈦制排氣系統(tǒng)質(zhì)量可減少7～9kg，目前排氣系統(tǒng)使用的鈦材主要為工業(yè)純鈦。鈦制消聲器質(zhì)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(tǒng)代替原來20kg的不銹鋼系統(tǒng)，質(zhì)量減輕了41%。替代后的系統(tǒng)強(qiáng)度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節(jié)約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業(yè)純鈦。