鈦是一種新金屬，它具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好，加工性及焊接性好的優(yōu)點(diǎn)，還具有較好的耐熱性和耐低溫性能，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、石化、冶金、電力、輕工及艦船等各個領(lǐng)域，在汽車工業(yè)中也得到了一定的應(yīng)用。但是由于鈦合金價格昂貴，在一般民用品上的應(yīng)用還很少，鈦合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用也大多在豪華車型和跑車上，目前的賽車幾乎都使用了鈦材。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。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整備質(zhì)量方面已經(jīng)發(fā)揮了作用，隨著工業(yè)水平的發(fā)展及世界對環(huán)保節(jié)能要求的日益提高，鈦合金在普通家用汽車上的使用也會得到快速發(fā)展。
一、鈦合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然鈦元素早在18世紀(jì)末即被英國和德國的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，但是直到20世紀(jì)初美國的科學(xué)家才提取出了純鈦，鈦的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)是1948年的事情了，鈦工業(yè)的發(fā)展是伴隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的新興產(chǎn)業(yè)。盡管鈦合金在在航空航天、石油化工、艦船工業(yè)上的應(yīng)用已很廣泛，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，直到20世紀(jì)80年代，鈦制汽車零部件才達(dá)到批量生產(chǎn)，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加速發(fā)展。
鈦材作為汽車部件材料使用的優(yōu)點(diǎn)有：強(qiáng)度高、密度小、彈性模量約是鋼的一半，熱膨脹系數(shù)低，約是不銹鋼及鋁材的一半，無磁性、熱導(dǎo)率低、對環(huán)境無污染等。另外在汽車行業(yè)用鈦后，可極大減輕汽車整備質(zhì)量，降低其燃料消耗，提高汽車工作效率，降低噪聲。最常見的是利用鈦合金制造發(fā)動機(jī)零件，有很多好處：鈦合金的密度低，可以降低運(yùn)動零件的慣性質(zhì)量；同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率；減小運(yùn)動零件的慣性質(zhì)量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機(jī)的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關(guān)零件的負(fù)載應(yīng)力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機(jī)及整車的質(zhì)量減輕。零部件慣性質(zhì)量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機(jī)的性能。綜合起來，鈦合金在汽車產(chǎn)品上的用途主要分為兩大類，第一類是減少原有零件的質(zhì)量，涉及零件主要有發(fā)動機(jī)的高速往復(fù)運(yùn)動件和汽車自重。第二類是用來制作耐腐蝕件，主要包括排氣系統(tǒng)，底盤零件，懸架系統(tǒng)等所處環(huán)境惡劣的汽車零部件，可提高汽車零件的使用壽命。
隨著社會發(fā)展，節(jié)能環(huán)保是產(chǎn)品發(fā)展主體，汽車“輕量化”是汽車行業(yè)一項非常重要直接的節(jié)能減排措施，目前已成為行業(yè)的共識。研究表明，汽車所用燃料約60%消耗于汽車自重，汽車每減輕10%的整備質(zhì)量，廢氣排放量可減少10%，可降低油耗7%。1956年，通用汽車公司（GM）和其供貨商裝配了一種展覽用的小汽車，其車體是全鈦；日本本田汽車公司1994年在NSX賽車3.0L24閥V-6發(fā)動機(jī)中使用鍛造鈦連桿；三菱汽車公司制造的高容量、四缸發(fā)動機(jī)中使用了鈦氣門彈簧座；保時捷汽車中也使用了鈦連桿。隨著鈦的日益發(fā)展，在汽車上的特殊用途已大量應(yīng)用到高級車零部件上（見表1）。
目前常用的鈦合金零部件比較多，主要對以下幾種詳細(xì)介紹。
表1 鈦制汽車標(biāo)準(zhǔn)部件的應(yīng)用狀況
1、發(fā)動機(jī)連桿
連桿連接活塞與曲軸，起著傳遞動力的作用，承受著很大的沖擊力，因此連桿必須有足夠的強(qiáng)度，并且質(zhì)量要盡可能輕，以提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。連桿連接活塞與曲軸，將活塞的動力傳遞到曲軸，因承受很大的沖擊力，故必須強(qiáng)度大且不易變形。此外，連桿也必須質(zhì)輕，以減少慣性損失，提升發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速。鈦合金是理想的連桿用材料。
鈦合金連桿常用的材料為Ti-6Al-4V鈦合金，Ti-6Al-4V鈦合金于1954年在美國研究成功，首先用于航空航天業(yè)，它具有良好的強(qiáng)韌性、優(yōu)良的加工性和耐腐蝕性。1987年本田公司的VFR750R型車最先采用Ti-6Al-4V鈦合金連桿進(jìn)行批量生產(chǎn)和銷售，但Ti-6Al-4V鈦合金價格較昂貴，對其推廣使用有一定的難度。后研發(fā)出Ti-3Al-2.0V鈦合金連桿，用在了Accura NSX 3.0升V6 發(fā)動機(jī)上，與鎳鉻鋼連桿比較，Ti-3Al-2.0V鈦合金連桿可節(jié)省30﹪的質(zhì)量且有相等的疲勞強(qiáng)度。Ti-3A-2.0V 價格較Ti-6Al-4V 便宜，Ti-6Al-4V 與Ti-3Al-2.0V有相同的Al/V 比，故能由回收的Ti-6Al-4V 中制造Ti-3Al-2.0V，且因質(zhì)量減輕，慣性損失少，故發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可增加700rpm。
Ti-62S鈦合是金鈦金屬公司（TIMET）研發(fā)的Ti-6Al-4V的替代鈦合金。Ti-62S（Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si）性能接近于Ti-6Al-4V，添加Si 可增加強(qiáng)度；添加鐵可降低原料成本，亦能促進(jìn)晶粒細(xì)化，進(jìn)而提高強(qiáng)度，同時改善加工性；添加O2可強(qiáng)化鈦合金。由于生產(chǎn)成本較低，因此價格較Ti-6Al-4V 便宜10%～20%。
鈦合金連桿的制造法一般為鍛造法，但因鍛造材料步留率低、切削性較易切鋼差及鍛造物需要酸洗除去表層之氧化物的關(guān)系，導(dǎo)致加工成本很高。所以目前鈦合金連桿的制造趨勢朝向凈型鑄造法及粉末冶金制造法。這兩種方法所獲得的工件在疲勞性質(zhì)上已有重要的改善。
2、氣門
進(jìn)氣門（Intake Valve）工作溫度約300～400℃，排氣門（Exhaust Valve）工作溫度約600～800℃，因材料需具有抗熱性，尤其是在高溫下，必須保持其強(qiáng)度、硬度而不燒蝕。所以具有高溫耐氧化性及耐高溫潛變的鈦合金是合適的材料。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-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si（Ti-6242S）為主，Sn和Al通常一起添加，可以得到較低的脆性和較高的強(qiáng)度。添加Mo可增加鈦合金的熱處理性能，增加淬火鈦合金的強(qiáng)度，同時增加硬度。由于形狀簡單和小巧，所以機(jī)械加工是容易制造的，成本也便宜。不一定需要進(jìn)行特殊的表面處理，和鋼制的氣門座相比，能減輕10～12g。
福特汽車（Ford）的一項研究報告指出，在一個四缸八氣門、1.9 L的發(fā)動機(jī)中使用鈦合金氣門，氣門質(zhì)量可減少原鋼氣門質(zhì)量的48﹪；發(fā)動機(jī)氣門振動的臨界轉(zhuǎn)速可提高650r/min；氣門彈簧負(fù)荷減少約30%；因氣門機(jī)構(gòu)摩擦損失減少，在油耗表現(xiàn)上，平均每升汽油可增加4.3km的里程數(shù)。其他具有發(fā)展?jié)摿Φ暮辖鹩校?/p>
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（Ti-1100），因為Mo含量較低，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S 優(yōu)，耐氧化溫度可達(dá)600℃（1100°F）。此合金正由美國賽車零件制造商評估中，應(yīng)用性指日可待。
3）排氣門可采用γ- TiAl。 γ- TiAl 具有耐高溫及質(zhì)量輕的特點(diǎn)，但不適合以傳統(tǒng)的鍛造法加工，僅適合使用鑄造法與粉末冶金法加工。當(dāng)制造方法更加成熟后，其價格也許會較目前廣泛使用的鎳基超合金排氣門便宜。
3、氣門彈簧座
氣門彈簧座必須具備高強(qiáng)度及耐疲勞性，對于耐高溫的要求不像氣門那么高。β鈦合金為熱處理型合金，能依固溶時效處理來獲得很高的強(qiáng)度，所以Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si 是合適的材料。三菱汽車（Mitsubishi）在其量產(chǎn)汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金氣門彈簧座。質(zhì)量較原鋼制鎖扣減輕了42%，氣門機(jī)構(gòu)慣性質(zhì)量減少6%，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速增加300r/min。
4、氣門彈簧
氣門彈簧的作用是使氣門能確實的關(guān)閉，尤其是發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣門彈簧因運(yùn)動速度加快，易引起彈簧之諧振而導(dǎo)致氣門開閉不確實，影響發(fā)動機(jī)性能，故氣門的材料須具備質(zhì)輕、強(qiáng)度大及耐疲勞的特性。鈦合金質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大及剪力模數(shù)低，是彈簧的理想材料。圓筒圈狀壓縮彈簧負(fù)荷與變形量之關(guān)系式如下：
δ=（8ND3／Gd4） P
式中δ為彈簧變形量，D為彈簧直徑，d為線徑，G為剪力模數(shù)，P為彈簧負(fù)荷，N為彈簧圈數(shù)。
因鈦合金的剪力模數(shù)G 較小會使彈簧在受負(fù)荷時變形量增加，為了避免這種情形，可使彈簧在設(shè)計時有較少的圈數(shù)及縮小彈簧直徑，如此不但可減少彈簧的變形量，而且尺寸大小僅是鋼彈簧的一半，彈簧質(zhì)量僅為鋼彈簧的一半。彈簧質(zhì)量一減輕，便可提高共振頻率，提高發(fā)動機(jī)氣門彈簧諧振的臨界轉(zhuǎn)速，增加發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)之效率。對汽車設(shè)計者而言，鈦合金彈簧尺寸較小，在空間的應(yīng)用上會更靈活。
β鈦合金因具有高強(qiáng)度及良好的冷加工成型性，所以是氣門彈簧的優(yōu)良材料。一般在商業(yè)上使用最多的β鈦合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Ti-38644）。
5、渦輪增壓器
使用渦輪增壓器可以改善發(fā)動機(jī)的燃燒效率并增進(jìn)發(fā)動機(jī)功率及扭力。然而，渦輪增壓器的輪機(jī)轉(zhuǎn)子（turbine wheel）長期暴露在850℃以上的高溫廢氣中，故具備耐熱性是很重要的條件。傳統(tǒng)的輕金屬，如鋁合金或鎳基合金，因其溶點(diǎn)較低，無法使用。雖然陶瓷材料質(zhì)量輕且耐高溫性佳而被應(yīng)用在輪機(jī)轉(zhuǎn)子上，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使得應(yīng)用上受到限制。因此Tetsui 等人發(fā)展了TiAl 輪機(jī)轉(zhuǎn)子，經(jīng)過了多次的發(fā)動機(jī)試驗，不但其耐久性及效能已受到證實，而且也可以改善發(fā)動機(jī)加速性及減少廢氣中的有害物質(zhì)。此項設(shè)計已成功的商業(yè)化應(yīng)用在Mitsubishi LancerEvolution 系列車款上。
6、排氣系統(tǒng)
鈦合金因為具有良好的耐蝕性，故很適合做為排氣管（含消聲器）的材料。因耐蝕性佳，故排氣管的管壁可以作得較薄，約1mm 厚，所以鈦排氣管與不銹鋼排氣管比較起來，可減輕約60%的質(zhì)量，例如409 不銹鋼排氣管重達(dá)10kg，但鈦排氣管質(zhì)量只有3.2kg。商業(yè)用純鈦（CP）是排氣管的理想材料，ASTM Grade 2之純鈦（如Timetal50A）在取得性、制造性、焊接性與機(jī)械性質(zhì)上是很合適的材料。純鈦可于冷溫下成型，所以鈦排氣管適合于在室溫下成型，且其成型的設(shè)備與技術(shù)皆和鋼排氣管相同，這使得鈦排氣管在制程上的成本并不會增加。鈦排氣管的制程是利用縫焊與電阻焊將膨脹箱（expansion box）焊合，然后再使用惰氣金屬極電弧焊（gas metal arc welding , GMAW）或惰氣鎢極電弧焊（gas tungsten arc welding , GTAW）將排氣管與膨脹箱焊接起來。
7、其他鈦合金部件
鈦合金在車輛中廣泛應(yīng)用，能大大消減整車質(zhì)量和提高耐用性，發(fā)動機(jī)元件，驅(qū)動齒輪系零件、懸掛系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件、車體框架等來講都可用鈦合金取代鋼。如發(fā)動機(jī)搖臂、緊固件、車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、離合器圓板、壓力板、控制桿、從動軸、閥彈簧和緊固件等。
二、鈦合金零部件的優(yōu)越性
鈦合金具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高及耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用最多的是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。鈦合金零部件的應(yīng)用可減少發(fā)動機(jī)振動與噪聲，提高曲軸轉(zhuǎn)動速度，減少曲軸應(yīng)力，得到較高的發(fā)動機(jī)扭力，可提高發(fā)動機(jī)氣門振動的臨界轉(zhuǎn)速，可減少彈簧負(fù)荷，減少氣門機(jī)構(gòu)磨損及降低燃油消耗。
在汽車的消聲器設(shè)計、制造及應(yīng)用是合適的，一方面利用鈦合金室溫下的高加工性，同時也提高應(yīng)用高溫強(qiáng)度、高耐氧化性及耐蠕變性。鈦合金在其他部件上的應(yīng)用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。另外鈦合金在汽車節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。
結(jié)語
鈦合金應(yīng)用在汽車上已經(jīng)有良好的效果，但目前多應(yīng)用于賽車及跑車上。價格昂貴與制造成本高是鈦合金不能普遍應(yīng)用在家庭房車的根本原因。所以，低價鈦合金的開發(fā)是鈦合金實用化的重要關(guān)鍵，以下幾點(diǎn)是今后鈦合金零部件開發(fā)應(yīng)用的方向：
1）以低價格的添加元素取代鈦合金中重要的添加元素如V、Mo 及Nb 等高價元素。
2）開發(fā)易切削之鈦合金。
3）改善制造鈦粉末的方法。
4）使用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)小直徑鈦棒或平板，可減少人力及能源的運(yùn)用，降低成本。
5）采用近凈型（near net）鑄造技術(shù)或近凈型粉末冶金制程開發(fā)低價鈦合金。
我國正在大力開展汽車用鈦的推廣工作。逐漸將鈦與汽車聯(lián)系起來，以促進(jìn)鈦在汽車方面的應(yīng)用。而汽車用鈦研究工作則一直在展開，如粉末冶金鈦和TiAl的研究。鈦合金價格昂貴主要是受制于目前的冶煉加工技術(shù)，而鈦在地殼中的半富程度僅次于鋁、鐵、鎂，排第4位。由于鈦合金工業(yè)不斷的在民用產(chǎn)品上的開發(fā)應(yīng)用，鈦合金的產(chǎn)量也逐年增加，對鈦合金技術(shù)的研發(fā)也必將得到進(jìn)一步加強(qiáng)，鈦冶煉及加工成本的降低也是必然趨勢。因為鈦合金在實現(xiàn)汽車輕量化、低燃油消耗率及高性能上的表現(xiàn)，全球范圍內(nèi)節(jié)能減排的要求、新能源汽車篷勃發(fā)展，簡化制造工藝內(nèi)在降低成本，是未來汽車發(fā)展趨勢，所以鈦合金必將在汽車工業(yè)中占有重要的地位，得到廣泛應(yīng)用。鈦合金部件在普通家用汽車上的應(yīng)用在不久的將來必將得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
[1] 李修明，趙成龍，齊萌蒙．面向數(shù)字化工廠建設(shè)的數(shù)據(jù)應(yīng)用研究[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020（5） : 70－73．
[2] 劉亮.數(shù)字化工廠的實現(xiàn)方式與應(yīng)用分析[J].經(jīng)營者，2019（4）：123-125.
[3] 田建忠.數(shù)字化工廠應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望[J].創(chuàng)新科技，2017（5）：36-38.
相關(guān)鏈接
