【综述】钛及钛合金在汽车轻量化研发领域的前景及实际应用

化石 2017年6月26日浏览：1558

轻质材料、金属基复合材料及陶瓷等新材料的使用在一定程度上决定了汽车的发展趋势，是汽车技术发展的重要方面。钛及钛合金作为结构功能性材料，是汽车实现轻量化和高性能、高功能的理想选材。随着钛工业的发展，钛材终将在汽车领域占据重要地位。汽车用钛市场潜力不容小觑。

一、钛合金的优点

钛合金具有优异的综合性能，密度小，比强度高。钛的密度为4.51g/cm3，介于铝(2.7g/cm3)和铁(7.6g/cm3)之间。钛合金的比强度高于铝合金和钢，韧性也与钢铁相当。钛及钛合金抗蚀性能好，优于不锈钢，特别是在海洋大气环境中抵抗氯离子的侵蚀和微氧化气氛下耐蚀性好，钛合金的工作温度较宽，低温钛合金在-253℃还能保持良好的塑性，而耐热钛合金的工作温度可达550℃左右，其耐热性明显高于铝合金和镁合金。同时具有良好的加工性、焊接性能。

二、钛合金在汽车上的应用

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。

钛在汽车上的用途主要分两大类：

第一类是用来减少内燃机往复运动件的质量（对于往复运动的内燃机零件来讲，即使减少几克质量都是重要的）；

第二类是用来减少汽车总质量。根据设计和材料特性，新一代汽车上钛主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统，钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件；在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。

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。发动机的连杆对材料的强度、疲劳性能、刚度( 特别是大头端) 及耐磨性能都有严格的要求，钛连杆质量的减轻, 结合以质轻的活塞和活塞销, 使噪声、震颤、车身跳动明显减轻, 改善了发动机的工作性能。同时, 这些零件如果用钛制造,还可以提高发动机的工作温度。活塞销要求材料具有一定的强度、耐磨性能、高刚度和耐高温, 目前最佳选择是密度低、高温强度高、生产成本相对不高的金属间化合物γ-TiAl。对更高速度的发动机而言, 其气门传动机构也以使用抗蠕度、抗氧化的钛材为宜。尤其是使用γ-铝化钛作气门弹簧, 除减轻质量, 还可将发动机速度提高10%。

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－6A l－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。

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Go1f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。