鈦合金與汽車輕量化技術(shù)

張妍　龐有俊　李楊

摘 要：輕量化技術(shù)作為一項(xiàng)可以極大節(jié)約資源與提高效益的技術(shù)，在汽車行業(yè)的應(yīng)用極為重要。而鈦合金，一直在軍用和航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。隨著鈦合金研究的進(jìn)步及制備工藝的發(fā)展，它在汽車領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用也越來越受到關(guān)注。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，國家對(duì)汽車輕量化也提出了更高層次的要求，因此尋求利用鈦合金的性能優(yōu)勢來替換掉汽車的某些關(guān)鍵零部件越來越受到造車企業(yè)的關(guān)注。本文結(jié)合汽車行業(yè)發(fā)展的最新狀況以及鈦合金在汽車領(lǐng)域的最新應(yīng)用，對(duì)鈦合金的主要加工方法與成型工藝做了簡述。

關(guān)鍵詞：鈦合金;汽車輕量化;加工工藝

1 引言

汽車輕量化技術(shù)作為汽車工業(yè)的重要技術(shù)，是解決汽車節(jié)能、安全、環(huán)保的重要措施之一。在《中國制造2025》文章中，明確指出了先進(jìn)軌道交通裝備和節(jié)能與新能源汽車要發(fā)展輕量化技術(shù)，此技術(shù)重要性不言而喻。而鈦合金從應(yīng)用之初，就在軍事與航空航天領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，圖1所示為鈦合金月球車。隨著社會(huì)的發(fā)展和國際原油價(jià)格的上漲，人們對(duì)汽車的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，面對(duì)這種情況車企不得采用新材料應(yīng)用到汽車上來，以達(dá)到減輕汽車重量的目的，比如鈦合金材料就能達(dá)到要求[1]。其實(shí)，1956年美國通用汽車公司借助鈦合金制備工藝的快速發(fā)展，制造了一種名為“火鳥”的全鈦合金汽車[2]，但是由于鈦合金成本昂貴，后來僅應(yīng)用在賽車上。本文主要介紹鈦合金的特點(diǎn)及在汽車零件上的應(yīng)用，并對(duì)鈦合金的主要加工方法與成型工藝做了簡述。

2 鈦合金特點(diǎn)

金屬鈦在地球中含量0.42%，在元素周期表常用結(jié)構(gòu)金屬中位于鋁、鐵、鎂元素之后，含量豐富。但其制備困難，生產(chǎn)成本高，這也是其英文名稱Titanium的由來，一方面說明其性能優(yōu)異，另一方面又形容其難以從礦石中被提煉出來。鈦及鈦合金在汽車工業(yè)上應(yīng)用的最大問題是其高昂的價(jià)格。它的價(jià)格通常是鋼的100倍，鋁合金的10倍左右。鈦合金材料的力學(xué)性能和疲勞性能相于傳統(tǒng)金屬有突出優(yōu)勢，隨著冶金和制備工藝的發(fā)展，越來越受到人們的重視。

2.1 鈦合金分類

鈦在應(yīng)用中有純鈦及鈦合金兩類。鈦在常溫下有兩種同素異晶結(jié)構(gòu)，分別為密排六方的α-Ti與體心立方的β-Ti。為了進(jìn)一步提高鈦的性能，常常加入合金元素進(jìn)行強(qiáng)化，形成鈦合金，主要強(qiáng)化元素有Al、Sn、V、Cr、Mo、Mn等。按照常溫下鈦合金的各項(xiàng)所占的比例分?jǐn)?shù)，可以將鈦合金分為α鈦合金，近α鈦合金，α+β鈦合金和β鈦合金四類。其中應(yīng)用最為廣泛的是α+β鈦合金，其代表產(chǎn)品為Ti-6Al-4V。

2.2 鈦合金性質(zhì)

鈦的密度我們一般認(rèn)為是4.51g/cm3，大約為鐵的三分之二，是比較輕質(zhì)的金屬。熔點(diǎn)為1668℃，比鐵、鎳都高，可以作為耐熱材料[3]。鈦合金的強(qiáng)度高，傳統(tǒng)的鈦合金強(qiáng)度大多在800-1200MPa之間，經(jīng)過時(shí)效強(qiáng)化的鈦合金強(qiáng)度可以達(dá)到極高的水平，在1600MPa左右。塑性較好，而且有很好的疲勞強(qiáng)度，耐高溫性能也優(yōu)于一般金屬。

3 鈦合金零件在汽車上的應(yīng)用

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的各種零件中利用鈦合金制造的零件主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、凸輪軸、進(jìn)/排氣閥、氣門彈簧座以及一些重要的汽車三大件配套零件，如渦輪增壓盤、各種螺栓、發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵密封件等。圖2清楚的表明了現(xiàn)在或者將來鈦合金能夠應(yīng)用到汽車上的零部件分類[4]。主要從下面幾個(gè)方面說明鈦合金在汽車零部件應(yīng)用的優(yōu)劣勢。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)部件

在發(fā)動(dòng)機(jī)的組成中，我們一般認(rèn)為連桿是最需要利用鈦合金材料制作的。目前來說，使用的鈦合金是Ti-6Al-4V鈦合金連桿所用的材料主要有 Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al和Ti-3Al-2.0V等。發(fā)動(dòng)機(jī)連桿選用鈦合金最大的優(yōu)勢是對(duì)汽車輕量化的貢獻(xiàn)，有效減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，同時(shí)由于鈦合金優(yōu)越的性能也可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率和增加燃油經(jīng)濟(jì)性，比金屬連桿達(dá)到減重15%～20%的效果。與此同時(shí)，鈦合金還有優(yōu)異的的抗疲勞性能，在高、低周疲勞性能測試中表現(xiàn)優(yōu)秀，使汽車關(guān)鍵零部件抗疲勞性能得以大幅提升。

汽車零部件疲勞問題一直是主機(jī)廠最為關(guān)注的幾個(gè)問題之一，首先發(fā)動(dòng)機(jī)連桿在工作時(shí)，不僅要受到往復(fù)拉壓載荷，我們認(rèn)為這是低周疲勞，當(dāng)汽車高速行駛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，連桿受到高頻沖擊載荷，我們認(rèn)為此時(shí)是高周疲勞，此時(shí)需要連桿鑄造材料既能承受低周疲勞的抗拉要求，還能承受高周疲勞沖擊載荷。我們可以采用噴丸這種傳統(tǒng)工藝來對(duì)汽車零部件材料表面進(jìn)行處理來增加其抗疲勞特性，但是Ti-6Al-4V合金可以敲好滿足這一需要。不過，這種材料還是有明顯的缺陷，比如耐磨性可能差些或者剛度、硬度上不能滿足要求，同時(shí)金屬材料的表面處理工藝對(duì)此改善效果并不明顯。

鈦合金材料還廣泛應(yīng)用在各種氣閥上。但是生活中的各種氣閥一般都處在惡劣的工況中，比如高溫、高壓等。因此材料對(duì)抗氧化能力和抗蠕變能力，以及抗拉強(qiáng)度都有較高要求。目前為止，該材料被廣泛應(yīng)用在賽車的氣閥上，但是γ-TiAl的室溫塑性平均不超過1%，非常的不安全，還有制備成本高，工藝技術(shù)達(dá)不到要求等，所以γ-TiAl合金真正應(yīng)用在汽車上還需要很長的時(shí)間。目前，有些汽車的排氣管采用純鈦來達(dá)到減輕車重的目的。但是，純鈦在排氣管的高溫下性能表現(xiàn)并不如傳統(tǒng)不銹鋼排氣管，因此將鈦材料應(yīng)用到排氣管中并不是完全的理想狀態(tài)，接下來主機(jī)廠還是應(yīng)該尋求一個(gè)折中的解決辦法，既能減輕汽車重量又能達(dá)到降低成本、延長壽命的目的，可以從提高鈦合金的高溫抗氧化能力和室溫塑性方面入手，也可以從鈦合金材料和不銹鋼材料結(jié)合的方面來考慮。

3.2 排氣系統(tǒng)

鈦合金材料還廣泛應(yīng)用在汽車的排氣系統(tǒng)中。由于鈦合金的焊接性能好，因此，排氣管采用鈦合金制造將會(huì)延長排氣管使用壽命，一般為13年左右，但是傳統(tǒng)不銹鋼材料壽命一般只有鈦合金材料的一半。用鈦合金材料做排氣管可以達(dá)到降低成本和節(jié)約更換排氣管時(shí)間的目的。

3.3 車用彈簧

目前，汽車彈簧是最開始大規(guī)模使用鈦合金材料的，并且取得了比較好的效果，可以認(rèn)為彈簧將鈦合金材料的優(yōu)勢發(fā)揮的很全面，在服役性能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的鋼材。

鈦合金制造的彈簧優(yōu)勢很明顯：首先從最基本的彈簧的彈性來說，鈦合金有良好的力學(xué)性能，比金屬彈簧的彈性模量小很多且彈性極限和彈簧應(yīng)變能都很高，可以達(dá)到金屬彈簧的十幾倍左右，因此在汽車上適合制造彈性元件，使用鈦合金彈簧可以明顯改善乘坐舒適性;鈦合金相比于其他材料還有較長的使用壽命，在高低周疲勞工況中，表現(xiàn)出了優(yōu)秀的抗疲勞性能;汽車的懸架彈簧等很多彈簧部件都是直接與空氣接觸，鈦合金材料的強(qiáng)抗腐蝕性正好滿足了這一要求，并且不需要做防銹等表面處理，明顯減輕了汽車的保養(yǎng)壓力，汽車全壽命周期內(nèi)幾乎不需要更換;β鈦合金是制備鈦合金彈簧的主要材料，在淬火時(shí)具有強(qiáng)度低的特點(diǎn)，這對(duì)于冷拔拉絲非常有好處，后面可以通過時(shí)效處理提高其強(qiáng)度，工藝并不復(fù)雜，成本相對(duì)也不算高;鈦合金的密度小于鋼材，這對(duì)汽車輕量化也是有利的，見圖3。并且，我們假設(shè)彈性功為一定值，那么經(jīng)過測量鈦材質(zhì)的彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，可以降低車身高度，減輕車重，降低了風(fēng)阻，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。所以，我們有理由認(rèn)為鈦合金是制備彈簧的理想材料。二十一世紀(jì)初，大眾汽車公司率先在某款轎車上將鈦合金彈簧作為了標(biāo)配，汽車減重為82千克，相比于鋼彈簧減重達(dá)到60%～70%，彈簧高度也相比降低40%左右[5]，在當(dāng)時(shí)來說也是邁出了實(shí)現(xiàn)汽輕量化中重要的一步。

4 關(guān)鍵工藝概述

鈦合金的成本很高，主要體現(xiàn)在其制備的成本高。在加工方面，傳統(tǒng)的機(jī)加工、鑄造、鍛造等普通鋼材所能應(yīng)用的工藝在鈦合金上同樣可以應(yīng)用，但加工工藝較鋼來講要求比較高。然而，經(jīng)過近年來的不斷研究，人們對(duì)鈦合金有了更加深刻的認(rèn)識(shí)一些新工藝和新方法應(yīng)用在鈦合金的制備與加工上，并不斷提高著鈦合金的成形質(zhì)量與降低著加工成本。

4.1 鈦合金的制備

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)鈦元素了解的深入，人們?cè)诤＞d鈦的制備工藝上取得了巨大的進(jìn)步。來自英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家首次利用電化學(xué)法（FFC方法）最先制備了海綿鈦[6]，見圖4.該方法主要提純了其他合金中的氧化物，這是其他工藝目前所不具備的優(yōu)勢，另外，還簡化了制備工藝，降低了成本。在鈦合金的制備過程中，為了降低成本通常使用便宜的母合金來代替昂貴的合金化元素。之前就有很多美國公司，比如TIMETAL公司生產(chǎn)的Timetal LCB鈦合金，就是利用低廉的Fe-Mo中間合金來代替了很多昂貴的合金元素，從而達(dá)到使鈦合金的價(jià)格降低的目的。目前，這是制備該材料最常用的工藝，具有技術(shù)成熟，成本低等特點(diǎn)，某些汽車廠商已經(jīng)開始將其用于汽車零部件的生產(chǎn)。

4.2 鈦合金的加工

由于鈦合金具有的特殊的物理和化學(xué)性能，其機(jī)加工存在一些限制。鈦的熱導(dǎo)率低，彈性模量較低，而且硬度也較低，化學(xué)活潑性較高，這就在加工過程中，不可避免的要采用大量切削液以起到快速冷卻的效果;采用特殊的夾具來減輕回彈帶來的工件尺寸問題;加工前也應(yīng)有特殊的表面處理來去除氧化皮。

鈦合金的焊接性能良好，是比較適宜采用焊接工藝的金屬。但由于化學(xué)活潑性高，通常采用氣體保護(hù)焊，以避免焊接對(duì)零件造成強(qiáng)度下降等缺陷。

對(duì)于鑄造，由于其材料利用率高，可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件，被廣泛應(yīng)用于鈦合金零件的加工制造中。其中熔模鑄造可以生產(chǎn)尺寸精度高、表面質(zhì)量好的零件，主要應(yīng)用于航空航天和民用的高性能零件上。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的連桿等均是鑄造而成。

此外，現(xiàn)代加工工藝比較成熟且大規(guī)模應(yīng)用的就是粉末冶金，在材料加工和先進(jìn)制造領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，尤其是在鈦合金領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，我們將鈦材料制成粉末狀利用近成型技術(shù)可以直接制造汽車零部件，用這種方法可以有效降低原材料的損失，大幅減少制備時(shí)間，成本比常規(guī)工藝可節(jié)省20%～50%[7]。示意圖5展示了粉末冶金技術(shù)在車用鈦合金零部件制備流程。主要是混合鈦粉和TiB2，TiC產(chǎn)生混合粉末，然后再400MPa工況下冷等靜壓，緊接著1300°高溫真空燒結(jié)3小時(shí)，最后通過熱等靜壓、鍛造或擠壓來成型，制備工序有所減少，制備工藝有所簡化，原材料使用較少，成本降低。但是由于其制備工藝的特殊在某些性能上可能不如傳統(tǒng)的鍛造工藝。

目前采用粉末冶金技術(shù)制備汽車零部件的工藝已經(jīng)相對(duì)成熟，通常是由混合粉末開始，然后經(jīng)過冷等靜壓、燒結(jié)、熱等降壓、鍛造、擠壓成型等工序，最后制備出我們所需要的汽車零部件。該工藝具有工序步驟少，原材料消耗少，成本降低等優(yōu)勢。但是，粉末燒結(jié)工藝使這種鈦合金的性能相比鍛造工藝生產(chǎn)的鈦合金有所降低。

5 總結(jié)

目前，為了滿足國家節(jié)能減排的要求，汽車輕量化設(shè)計(jì)逐漸被車企所重視，不得不研制新的適應(yīng)市場要求的高性能材料，與此同時(shí)，鈦合金所具有的優(yōu)勢將逐漸進(jìn)入大眾的視野。

雖然鈦合金的使用已經(jīng)越來越寬，相比較其性能優(yōu)勢，成本劣勢仍然嚴(yán)重阻礙了鈦合金的發(fā)展。相信隨著科技的進(jìn)步，一定會(huì)有新的工藝研究出來，屆時(shí)車用鈦合金的成本將會(huì)大幅度降低，車用鈦合金還有廣闊的發(fā)展空間。個(gè)人認(rèn)為，為了更好地發(fā)展汽車輕量化，應(yīng)該從汽車零部件的服役性能要求出發(fā)，有針對(duì)性的選擇來發(fā)展鈦合金零件在汽車上的應(yīng)用，使消費(fèi)者逐漸認(rèn)識(shí)這種材料，愿意為其買單。同時(shí)，也應(yīng)該加快新技術(shù)在制備工藝上的實(shí)踐應(yīng)用，盡早的將鈦合金從昂貴的制備成本中解放出來。

參考文獻(xiàn)：

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