钛合金与汽车轻量化技术

张妍 庞有俊 李杨

中国汽车技术研究中心有限公司 天津市 300393

1 引言

汽车轻量化技术作为汽车工业的重要技术，是解决汽车节能、安全、环保的重要措施之一。在《中国制造2025》文章中，明确指出了先进轨道交通装备和节能与新能源汽车要发展轻量化技术，此技术重要性不言而喻。而钛合金从应用之初，就在军事与航空航天领域发挥了至关重要的作用，图1所示为钛合金月球车。随着社会的发展和国际原油价格的上涨，人们对汽车的排放标准提出了更高的要求，面对这种情况车企不得采用新材料应用到汽车上来，以达到减轻汽车重量的目的，比如钛合金材料就能达到要求[1]。其实，1956年美国通用汽车公司借助钛合金制备工艺的快速发展，制造了一种名为“火鸟”的全钛合金汽车[2]，但是由于钛合金成本昂贵，后来仅应用在赛车上。本文主要介绍钛合金的特点及在汽车零件上的应用，并对钛合金的主要加工方法与成型工艺做了简述。

图1 奥迪公司展示的钛合金登月车

2 钛合金特点

金属钛在地球中含量0.42%，在元素周期表常用结构金属中位于铝、铁、镁元素之后，含量丰富。但其制备困难，生产成本高，这也是其英文名称Titanium的由来，一方面说明其性能优异，另一方面又形容其难以从矿石中被提炼出来。钛及钛合金在汽车工业上应用的最大问题是其高昂的价格。它的价格通常是钢的100倍，铝合金的10倍左右。钛合金材料的力学性能和疲劳性能相于传统金属有突出优势，随着冶金和制备工艺的发展，越来越受到人们的重视。

2.1 钛合金分类

钛在应用中有纯钛及钛合金两类。钛在常温下有两种同素异晶结构，分别为密排六方的α-Ti与体心立方的β-Ti。为了进一步提高钛的性能，常常加入合金元素进行强化，形成钛合金，主要强化元素有Al、Sn、V、Cr、Mo、Mn等。按照常温下钛合金的各项所占的比例分数，可以将钛合金分为α钛合金，近α钛合金，α+β钛合金和β钛合金四类。其中应用最为广泛的是α+β钛合金，其代表产品为Ti-6Al-4V。

2.2 钛合金性质

钛的密度我们一般认为是4.51g/cm3，大约为铁的三分之二，是比较轻质的金属。熔点为1668℃，比铁、镍都高，可以作为耐热材料[3]。钛合金的强度高，传统的钛合金强度大多在800-1200MPa之间，经过时效强化的钛合金强度可以达到极高的水平，在1600MPa左右。塑性较好，而且有很好的疲劳强度，耐高温性能也优于一般金属。

3 钛合金零件在汽车上的应用

目前，发动机的各种零件中利用钛合金制造的零件主要有：发动机连杆、凸轮轴、进/排气阀、气门弹簧座以及一些重要的汽车三大件配套零件，如涡轮增压盘、各种螺栓、发动机的关键密封件等。图2清楚的表明了现在或者将来钛合金能够应用到汽车上的零部件分类[4]。主要从下面几个方面说明钛合金在汽车零部件应用的优劣势。

图2 钛合金在汽车中的应用部位

3.1 发动机部件

在发动机的组成中，我们一般认为连杆是最需要利用钛合金材料制作的。目前来说，使用的钛合金是Ti-6Al-4V钛合金连杆所用的材料主要有 Ti－6Al－4V、Ti－10V－2Fe－3Al和Ti－3Al－2.0V等。发动机连杆选用钛合金最大的优势是对汽车轻量化的贡献，有效减小了发动机的重量，同时由于钛合金优越的性能也可以提高发动机机械效率和增加燃油经济性，比金属连杆达到减重15%～20%的效果。与此同时，钛合金还有优异的的抗疲劳性能，在高、低周疲劳性能测试中表现优秀，使汽车关键零部件抗疲劳性能得以大幅提升。

汽车零部件疲劳问题一直是主机厂最为关注的几个问题之一，首先发动机连杆在工作时，不仅要受到往复拉压载荷，我们认为这是低周疲劳，当汽车高速行驶发动机转速很高时，连杆受到高频冲击载荷，我们认为此时是高周疲劳，此时需要连杆铸造材料既能承受低周疲劳的抗拉要求，还能承受高周疲劳冲击载荷。我们可以采用喷丸这种传统工艺来对汽车零部件材料表面进行处理来增加其抗疲劳特性，但是Ti-6Al-4V合金可以敲好满足这一需要。不过，这种材料还是有明显的缺陷，比如耐磨性可能差些或者刚度、硬度上不能满足要求，同时金属材料的表面处理工艺对此改善效果并不明显。

钛合金材料还广泛应用在各种气阀上。但是生活中的各种气阀一般都处在恶劣的工况中，比如高温、高压等。因此材料对抗氧化能力和抗蠕变能力，以及抗拉强度都有较高要求。目前为止，该材料被广泛应用在赛车的气阀上，但是γ-TiAl的室温塑性平均不超过1%，非常的不安全，还有制备成本高，工艺技术达不到要求等，所以γ-TiAl合金真正应用在汽车上还需要很长的时间。目前，有些汽车的排气管采用纯钛来达到减轻车重的目的。但是，纯钛在排气管的高温下性能表现并不如传统不锈钢排气管，因此将钛材料应用到排气管中并不是完全的理想状态，接下来主机厂还是应该寻求一个折中的解决办法，既能减轻汽车重量又能达到降低成本、延长寿命的目的，可以从提高钛合金的高温抗氧化能力和室温塑性方面入手，也可以从钛合金材料和不锈钢材料结合的方面来考虑。

3.2 排气系统

钛合金材料还广泛应用在汽车的排气系统中。由于钛合金的焊接性能好，因此，排气管采用钛合金制造将会延长排气管使用寿命，一般为13年左右，但是传统不锈钢材料寿命一般只有钛合金材料的一半。用钛合金材料做排气管可以达到降低成本和节约更换排气管时间的目的。

3.3 车用弹簧

目前，汽车弹簧是最开始大规模使用钛合金材料的，并且取得了比较好的效果，可以认为弹簧将钛合金材料的优势发挥的很全面，在服役性能方面远远超过了传统的钢材。

图3 钢制弹簧与钛制弹簧对比

钛合金制造的弹簧优势很明显：首先从最基本的弹簧的弹性来说，钛合金有良好的力学性能，比金属弹簧的弹性模量小很多且弹性极限和弹簧应变能都很高，可以达到金属弹簧的十几倍左右，因此在汽车上适合制造弹性元件，使用钛合金弹簧可以明显改善乘坐舒适性；钛合金相比于其他材料还有较长的使用寿命，在高低周疲劳工况中，表现出了优秀的抗疲劳性能；汽车的悬架弹簧等很多弹簧部件都是直接与空气接触，钛合金材料的强抗腐蚀性正好满足了这一要求，并且不需要做防锈等表面处理，明显减轻了汽车的保养压力，汽车全寿命周期内几乎不需要更换；β钛合金是制备钛合金弹簧的主要材料，在淬火时具有强度低的特点，这对于冷拔拉丝非常有好处，后面可以通过时效处理提高其强度，工艺并不复杂，成本相对也不算高；钛合金的密度小于钢材，这对汽车轻量化也是有利的，见图3。并且，我们假设弹性功为一定值，那么经过测量钛材质的弹簧的高度仅为钢弹簧的40%，可以降低车身高度，减轻车重，降低了风阻，提高了燃油经济性。所以，我们有理由认为钛合金是制备弹簧的理想材料。二十一世纪初，大众汽车公司率先在某款轿车上将钛合金弹簧作为了标配，汽车减重为82千克，相比于钢弹簧减重达到60%～70%，弹簧高度也相比降低40%左右[5]，在当时来说也是迈出了实现汽轻量化中重要的一步。

4 关键工艺概述

钛合金的成本很高，主要体现在其制备的成本高。在加工方面，传统的机加工、铸造、锻造等普通钢材所能应用的工艺在钛合金上同样可以应用，但加工工艺较钢来讲要求比较高。然而，经过近年来的不断研究，人们对钛合金有了更加深刻的认识一些新工艺和新方法应用在钛合金的制备与加工上，并不断提高着钛合金的成形质量与降低着加工成本。

4.1 钛合金的制备

随着科学技术的发展及人们对钛元素了解的深入，人们在海绵钛的制备工艺上取得了巨大的进步。来自英国剑桥大学的科学家首次利用电化学法（FFC方法）最先制备了海绵钛[6]，见图4.该方法主要提纯了其他合金中的氧化物，这是其他工艺目前所不具备的优势，另外，还简化了制备工艺，降低了成本。在钛合金的制备过程中，为了降低成本通常使用便宜的母合金来代替昂贵的合金化元素。之前就有很多美国公司，比如TIMETAL公司生产的Timetal LCB钛合金，就是利用低廉的Fe-Mo中间合金来代替了很多昂贵的合金元素，从而达到使钛合金的价格降低的目的。目前，这是制备该材料最常用的工艺，具有技术成熟，成本低等特点，某些汽车厂商已经开始将其用于汽车零部件的生产。

图4 FFC方法原理

4.2 钛合金的加工

由于钛合金具有的特殊的物理和化学性能，其机加工存在一些限制。钛的热导率低，弹性模量较低，而且硬度也较低，化学活泼性较高，这就在加工过程中，不可避免的要采用大量切削液以起到快速冷却的效果；采用特殊的夹具来减轻回弹带来的工件尺寸问题；加工前也应有特殊的表面处理来去除氧化皮。

钛合金的焊接性能良好，是比较适宜采用焊接工艺的金属。但由于化学活泼性高，通常采用气体保护焊，以避免焊接对零件造成强度下降等缺陷。

对于铸造，由于其材料利用率高，可以生产出形状复杂的零件，被广泛应用于钛合金零件的加工制造中。其中熔模铸造可以生产尺寸精度高、表面质量好的零件，主要应用于航空航天和民用的高性能零件上。如汽车发动机上的连杆等均是铸造而成。

此外，现代加工工艺比较成熟且大规模应用的就是粉末冶金，在材料加工和先进制造领域有很广泛的应用，尤其是在钛合金领域发挥着越来越重要的作用，我们将钛材料制成粉末状利用近成型技术可以直接制造汽车零部件，用这种方法可以有效降低原材料的损失，大幅减少制备时间，成本比常规工艺可节省20%～50%[7]。示意图5展示了粉末冶金技术在车用钛合金零部件制备流程。主要是混合钛粉和TiB2，TiC产生混合粉末，然后再400MPa工况下冷等静压，紧接着1300°高温真空烧结3小时，最后通过热等静压、锻造或挤压来成型，制备工序有所减少，制备工艺有所简化，原材料使用较少，成本降低。但是由于其制备工艺的特殊在某些性能上可能不如传统的锻造工艺。

图5 粉末冶金法生产零件

目前采用粉末冶金技术制备汽车零部件的工艺已经相对成熟，通常是由混合粉末开始，然后经过冷等静压、烧结、热等降压、锻造、挤压成型等工序，最后制备出我们所需要的汽车零部件。该工艺具有工序步骤少，原材料消耗少，成本降低等优势。但是，粉末烧结工艺使这种钛合金的性能相比锻造工艺生产的钛合金有所降低。

5 总结

目前，为了满足国家节能减排的要求，汽车轻量化设计逐渐被车企所重视，不得不研制新的适应市场要求的高性能材料，与此同时，钛合金所具有的优势将逐渐进入大众的视野。

虽然钛合金的使用已经越来越宽，相比较其性能优势，成本劣势仍然严重阻碍了钛合金的发展。相信随着科技的进步，一定会有新的工艺研究出来，届时车用钛合金的成本将会大幅度降低，车用钛合金还有广阔的发展空间。个人认为，为了更好地发展汽车轻量化，应该从汽车零部件的服役性能要求出发，有针对性的选择来发展钛合金零件在汽车上的应用，使消费者逐渐认识这种材料，愿意为其买单。同时，也应该加快新技术在制备工艺上的实践应用，尽早的将钛合金从昂贵的制备成本中解放出来。