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业界动态

轻量化新时代,钛合金引领汽车科技风潮!

更新时间  2024-02-19 11:38:43

       近些年来,随着汽车工业的迅猛发展,汽车产生的油耗、环保和安全的问题日益受到人们的关注。展望未来汽车工业的发展方向,轻量化、油耗低及排放少是发展的主题。根据国际权威部门统计的数据,汽车燃料燃烧能量的60%消耗于自身质量,尽管目前高强度薄钢板、铝材、镁材、金属基复合材料及塑料树脂类材料在减轻汽车重量方面已经发挥了作用,但是工业用钛材料的出现使得汽车制造有了更好的选择。

       钛金属具有密度小、比强度高、耐蚀性好的优点,汽车采用钛材料可极大地减轻车身质量,降低燃料消耗,提高发动机的工作效率,改善环境和降低噪声。但是昂贵的价格,使得钛合金在汽车工业中只能在豪华车型和跑车上有一些应用,在普通汽车上鲜有应用。因此,研究与开发适应市场需要的低成本钛合金是推动其应用于普通家用汽车的关键。

钛合金在汽车工业的应用现状

尽管钛合金已广泛应用于航空航天、石油化工以及舰船工业上,但是在汽车工业中的应用却发展缓慢。从1956年美国通用公司研制成功第一辆全钛汽车开始,钛制汽车零部件直到20世纪80年代才达到批量生产的水平,90年代随着豪华汽车、跑车、赛车需求量的逐年增加,钛制零部件才得到了飞快发展。1990年全世界汽车用钛量仅为50t,1997年达到了500t,2002年达到了1100t,2009年达到了3000t,预计2015年全世界汽车用钛量将突破5000t。目前钛合金零部件有以下几种比较常用。

1. 发动机连杆

       钛合金是连杆用材料的理想选择。用钛合金制造的发动机连杆能有效减轻发动机质量,提高燃油利用率和减少排气量。相比于钢制连杆,钛制连杆可减轻15%~20%的质量。钛合金连杆的应用首先在意大利的新型法拉利轿车3.5LV8与Acura的NSX发动机上得到了体现。钛合金连杆所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等,其他钛合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在连杆中的应用也在研发中。

2.发动机气门

       用钛合金制造的汽车发动机气门,不但能减轻质量、延长使用寿命,而且可降低油耗和提高汽车的可靠性。钛制气门与钢制气门相比,质量可减少30%~40%,发动机极限转速可提高20%。就目前的应用而言,进气门的材料以Ti-6Al-4V为主,排气门的材料以Ti-6242S为主,通常Sn和Al一起被添加,可以得到较低的脆性和较高的强度;Mo的添加可改善钛合金的热处理性能,加强淬火及时效钛合金的强度,同时增加硬度。其他具有发展潜力的钛合金有:

       1)进气门可采用Ti-62S,其特性相当于Ti-6Al-4V,且价格较便宜。

       2)排气门可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si,因为较低的Mo含量,故其耐潜变抵抗性较Ti-6242S优,耐氧化温度可达600℃。

       3)排气门可采用γ-TiAl,其具有耐高温及重量轻的特点,但加工时不适合用传统的锻造法,仅适合采用铸造法与粉末冶金法加工。

3.气门弹簧座

       高强度及耐疲劳性是汽门弹簧座必须具备的性能,β钛合金为热处理型合金,能通过固溶时效处理来获得很高的强度,相应的比较适合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽车在其规模化生产汽车上使用Ti-22V-4Al 钛合金汽门弹簧座,较原钢制锁扣减轻了42%的质量,气门机构减少了6%的惯性质量,发动机最大转速增加了300r/min。

4.钛合金弹簧

       钛及其合金相对于钢材料具有较低的弹性模量,σs/E值大,适合制造弹性元件。与钢制汽车弹簧相比,在相同弹性功的前提下,钛制弹簧的高度仅为钢弹簧的40%,质量仅为钢制弹簧的30%~40%,便于车体设计。另外,钛合金优异的疲劳性能和耐蚀性能可提高弹簧的使用寿命。目前,可用来制造汽车用弹簧的钛合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C-3Al等。

5.涡轮增压器

       涡轮增压器可以提高发动机的燃烧效率并增强发动机的功率及扭力。涡轮增压器的轮机转子需要长期工作在850℃以上的高温废气中,因此要求有很好的耐热性。传统的如铝合金等轻金属,因熔点较低而无法使用。虽然陶瓷材料因为重量轻且耐高温性佳而在轮机转子上得到应用,但由于成本高及形状上无法最佳化而使其应用受限。为了解决这些问题,Tetsui等人研发了TiAl轮机转子,经过多次试验验证,其不但具有良好的耐久性及效能,而且也能改善发动机的加速性。此项设计已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列车型上得到了商业化应用。

6.排气系统及消声器

       钛在汽车的排气系统中使用量较大。用钛及其合金制造的排气系统,不仅可以提高可靠性、延长寿命和改善外观,还可以减少质量及提高燃料燃烧效率。钛制排气系统与钢制排气系统相比,质量可减少约40%。在Golf系列汽车中,钛制排气系统质量可减少7~9kg,目前排气系统使用的钛材主要为工业纯钛。

       钛制消声器质量只有5~6kg,比不锈钢等消声器轻。2000款雪佛莱CorvetteZ06汽车上用一个11.8kg的钛消声器和尾气管系统代替原来20kg的不锈钢系统,质量减轻了41%。替代后的系统强度不变,并使汽车速度更快、操作更灵活及节约燃料。消声器使用的钛材同样主要是工业纯钛。

7.车体框架部分

       为了提高汽车的安全性和可靠性,需要从设计和制造方面,尤其是制造材料方面进行考虑。钛是一种用来制造车体框架很好的材料,其不仅比强度较高,还具有良好的韧性。在日本,汽车生产厂商选择纯钛金属焊接管制作车身框架,这种框架能够使得驾车者在驾驶时具有足够的安全感。

8.其他钛合金部件

       除了以上几种部件,钛还应用于发动机摇臂、悬挂弹簧、发动机活塞销、车用紧固件、挂耳螺帽、汽车门突入梁、汽车挡支架、制动器卡钳活塞、销轴栓、压力板、变速按钮及汽车离合器圆板等汽车零件。

钛合金的应用

1.优点

       钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点,故被广泛应用在汽车工业中,应用钛合金最多的是汽车发动机系统。利用钛合金制造发动机零件有很多好处,主要表现在:

       1)钛合金的密度低,可以降低运动零件的惯性质量,同时钛气门弹簧可以增加自由振动,减弱车身的振颤,提高发动机的转速及输出功率。

       2)减小运动零件的惯性质量,从而使摩擦力减小,提高发动机的燃油效率。

       3)选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力,缩小零件的尺寸,从而使发动机及整车的质量减轻。

       4)零部件惯性质量的降低,使得振动和噪声减弱,改善发动机的性能。

       钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和汽车的美观等。在汽车工业上的应用,钛合金在节能降耗方面起到了不可估量的作用。

2.应用限制

       钛合金零部件尽管具有如此优越的性能,但距钛及其合金普遍应用在汽车工业中还有很大的距离,原因包括价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题。

       随着近年来钛合金近净成形技术及电子束焊、等离子弧焊、激光焊等现代焊接技术的发展,钛合金的成形及焊接问题已不再是制约钛合金应用的关键因素,阻碍钛合金普遍应用于汽车工业的最主要原因还是成本过高。

       无论是金属最初的冶炼还是后续的加工,钛合金的价格都远远高于其他金属。汽车工业能够接受的钛制零件成本,用连杆钛材8~13美元/kg,气阀用钛材13~20美元/kg,弹簧、发动机排气系统及紧固件用钛材希望在8美元/kg以下。而目前用钛材料生产的零件成本比这些价格高了很多,钛板材的生产成本大多数高于33美元/kg,是铝板材的6~15倍,钢板材的45~83倍。

汽车用钛合金研究现状

       目前,降低成本是汽车工业用钛合金的主要研究方向。针对汽车工业用钛合金成本分布的特点,材料研发工作者主要从以下两个方面来达到降低成本的目的:开发新型低成本合金体系和使用新型加工制备技术。

1.新型低成本钛合金体系

       各国工作者研发新型低成本钛合金体系,主要着眼以下方面:使用廉价合金元素的合金设计和改善加工特性的合金设计。其中代表有日本和美国,我国国内也成功开发出了两种低成本钛合金,即Ti8LC与Ti12LC。在车用低成本钛合金成分设计中,常使用的廉价合金元素有Fe、Cr、Si、Al等。

2.新型加工制备技术

       钛合金材料在生产过程中加工成本占总成本的60%以上,因此在降低成本方面,怎样降低钛合金的加工成本成为重点研究的方向。这方面的研究主要分为两方面:一是改进传统铸锻工艺,二是采用粉末冶金近净成形技术。

       在新型锻造工艺研制开发中,冷锻法是目前钛合金制造汽车零部件最寄予希望的方法之一。β钛合金在常温下变形阻力小,切削加工成形好,是可以进行冷锻造的材料,目前日本已经开发出三种冷变形的β钛合金。β钛合金也有一些不足,在冷锻时容易产生不均匀变形,且容易粘附在模具上,因此用冷锻技术量产β钛合金零部件还需要进一步的探索与开发。

       在降低钛合金加工成本方面,粉末冶金是一项很重要的技术。在粉末冶金汽车零部件制造方面,传统的压制—烧结方法仍然处在主导地位,主要包括元素粉末法(BE)和预合金粉末法(PA)。目前元素粉末法因为其简单的工艺及更低的成本,在低成本汽车钛合金粉末冶金领域应用最广泛。近年来,其他的粉末冶金技术也在不断出现,包括激光成形技术、金属粉末注射成形(MIM)等技术,在车用复杂零部件试制与生产方面得到了广泛的应用,可大大的缩短产品开发与生产周期,进一步的降低成本。

结语

       新一代汽车设计更重视车身的轻量化、燃料的低消耗、发动机的低噪声及轻振动,以满足环境日益苛刻的要求。在这种背景下,轻金属钛将成为未来汽车的一种主要应用选择材料。

       综合考虑目前车用低成本钛合金的研究现状可以发现,为了进一步降低车用钛合金成本,应主要着眼于以下几方面的研究:

       1)在低成本合金体系开发方面,尽量在不影响性能的前提下开发不用或少用昂贵合金元素的合金体系,同时要充分发展利用回收的钛合金。

       2)在铸锻工艺开发方面,向开发β钛合金及冷变形钛合金方向发展,进行其量产化的可行性研究。

       3)在粉末冶金方面,在保证低成本优势的同时,还需要进一步提高钛制件的性能。

       随着经济的发展以及钛的成本降低,会有更多的工程设计人员将选择钛件用作汽车零部件。钛合金最终将在汽车工业生产中占有重要的地位。


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