鈦合金零部件在汽車制造的應用情況

鈦合金材料已廣泛應用于航空航天、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(fā)展。1990年全世界汽車用鈦量僅為50t，1997年達到了500t，2002年達到了1100t，2009年達到了3000t，預計2019年全世界汽車用鈦量將突破10000t。鈦合金零部件在汽車工業(yè)有以下主要應用：

1、發(fā)動機連桿

鈦合金是連桿用材料的理想選擇。用鈦合金制造的發(fā)動機連桿能有效減輕發(fā)動機質量，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%的質量。鈦合金連桿的應用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發(fā)動機上得到了體現。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－S n－0.5S i等，其他鈦合金材料如Ti－4Al－2S i－4Mn和Ti－7M－4Mo等在連桿中的應用也在研發(fā)中。

2、發(fā)動機氣門

用鈦合金制造的汽車發(fā)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(fā)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(guī)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(fā)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(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)動機的燃燒效率并增強發(fā)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(tǒng)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(fā)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(fā)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(yè)化應用。

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，質量可減少約40%。在Go1f系列汽車中，鈦制排氣系統(tǒng)質量可減少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)，質量減輕了41%。替代后的系統(tǒng)強度不變，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。

7、車體框架部分

為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計和制造方面，尤其是制造材料方面進行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料，其不僅比強度較高，還具有良好的韌性。在日本，汽車生產廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架，這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。

8、其他鈦合金部件

除了以上幾種部件，鈦還應用于發(fā)動機搖臂、懸掛彈簧、發(fā)動機活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。