钛合金在汽车工业中的应用现状及前景展望

彭西洋 李雪峰

摘要：介绍了钛合金在汽车工业上的应用，讨论了钛合金零部件的优越性及目前的应用状况，并从发动机连杆、气门、气门弹簧座、气门弹簧、涡轮增压器、排气系统等方面对典型汽车用钛合金件进行分析，在概述了我国的发展现状后，展望未来汽车工业用钛合金的几个重点发展方向和发展趋势。

关键词：钛合金；汽车工业；发展趋势

钛是一种新金属，它具有密度小、比强度高、耐蚀性好，加工性及焊接性好的优点，还具有较好的耐热性和耐低温性能，被广泛地应用于航空航天、石化、冶金、电力、轻工及舰船等各个领域，在汽车工业中也得到了一定的應用。但是由于钛合金价格昂贵，在一般民用品上的应用还很少，钛合金在汽车工业中的应用也大多在豪华车型和跑车上，目前的赛车几乎都使用了钛材。展望未来汽车工业的发展方向，轻量化、油耗低及排放少是发展的主题。尽管目前高强度薄钢板、铝材、镁材、金属基复合材料及塑料树脂类材料在减轻汽车整备质量方面已经发挥了作用，随着工业水平的发展及世界对环保节能要求的日益提高，钛合金在普通家用汽车上的使用也会得到快速发展。

钛合金在汽车工业的应用现状

虽然钛元素早在18世纪末即被英国和德国的科学家发现，但是直到20世纪初美国的科学家才提取出了纯钛，钛的工业化规模生产已经是1948年的事情了，钛工业的发展是伴随着航空航天工业的发展而发展起来的新兴产业。尽管钛合金在在航空航天、石油化工、舰船工业上的应用已很广泛，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，直到20世纪80年代，钛制汽车零部件才达到批量生产，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加速发展。

钛材作为汽车部件材料使用的优点有：强度高、密度小、弹性模量约是钢的一半，热膨胀系数低，约是不锈钢及铝材的一半，无磁性、热导率低、对环境无污染等。另外在汽车行业用钛后，可极大减轻汽车整备质量，降低其燃料消耗，提高汽车工作效率，降低噪声。最常见的是利用钛合金制造发动机零件，有很多好处：钛合金的密度低，可以降低运动零件的惯性质量；同时钛气门弹簧可以增加自由振动，减弱车身的振颤，提高发动机的转速及输出功率；减小运动零件的惯性质量，从而使摩擦力减小，提高发动机的燃油效率。选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力，缩小零件的尺寸，从而使发动机及整车的质量减轻。零部件惯性质量的降低，使得振动和噪声减弱，改善发动机的性能。综合起来，钛合金在汽车产品上的用途主要分为两大类，第一类是减少原有零件的质量，涉及零件主要有发动机的高速往复运动件和汽车自重。第二类是用来制作耐腐蚀件，主要包括排气系统，底盘零件，悬架系统等所处环境恶劣的汽车零部件，可提高汽车零件的使用寿命。

随着社会发展，节能环保是产品发展主体，汽车“轻量化”是汽车行业一项非常重要直接的节能减排措施，目前已成为行业的共识。研究表明，汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，汽车每减轻10%的整备质量，废气排放量可减少10%，可降低油耗7%。1956年，通用汽车公司（GM）和其供货商装配了一种展览用的小汽车，其车体是全钛；日本本田汽车公司1994年在NSX赛车3.0L24阀V-6发动机中使用锻造钛连杆；三菱汽车公司制造的高容量、四缸发动机中使用了钛气门弹簧座；保时捷汽车中也使用了钛连杆。随着钛的日益发展，在汽车上的特殊用途已大量应用到高级车零部件上（见表1）。

目前常用的钛合金零部件比较多，主要对以下几种详细介绍。

发动机连杆

连杆连接活塞与曲轴，起着传递动力的作用，承受着很大的冲击力，因此连杆必须有足够的强度，并且质量要尽可能轻，以提高发动机的转速。连杆连接活塞与曲轴，将活塞的动力传递到曲轴，因承受很大的冲击力，故必须强度大且不易变形。此外，连杆也必须质轻，以减少惯性损失，提升发动机最高转速。钛合金是理想的连杆用材料。

钛合金连杆常用的材料为Ti-6Al-4V钛合金，Ti-6Al-4V钛合金于1954年在美国研究成功，首先用于航空航天业，它具有良好的强韧性、优良的加工性和耐腐蚀性。1987年本田公司的VFR750R型车最先采用Ti-6Al-4V钛合金连杆进行批量生产和销售，但Ti-6Al-4V钛合金价格较昂贵，对其推广使用有一定的难度。后研发出Ti-3Al-2.0V钛合金连杆，用在了Accura NSX 3.0 升V6 发动机上，与镍铬钢连杆比较，Ti-3Al-2.0V钛合金连杆可节省30﹪的质量且有相等的疲劳强度。Ti-3A-2.0V 价格较Ti-6Al-4V 便宜，Ti-6Al-4V 与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，且因质量减轻，惯性损失少，故发动机最高转速可增加700rpm。

Ti-62S钛合是金钛金属公司（TIMET）研发的Ti-6Al-4V的替代钛合金。Ti-62S（Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si）性能接近于Ti-6Al-4V，添加Si 可增加强度；添加铁可降低原料成本，亦能促进晶粒细化，进而提高强度，同时改善加工性；添加O2可强化钛合金。由于生产成本较低，因此价格较Ti-6Al-4V 便宜10%～20%。钛合金连杆的制造法一般为锻造法，但因锻造材料步留率低、切削性较易切钢差及锻造物需要酸洗除去表层之氧化物的关系，导致加工成本很高。所以目前钛合金连杆的制造趋势朝向净型铸造法及粉末冶金制造法。这两种方法所获得的工件在疲劳性质上已有重要的改善。

气门

进气门（Intake Valve）工作温度约300～400℃，排气门（Exhaust Valve）工作温度约600～800℃，因材料需具有抗热性，尤其是在高温下，必须保持其强度、硬度而不烧蚀。所以具有高温耐氧化性及耐高温潜变的钛合金是合适的材料。就目前的应用而言，进气门的材料以Ti-6Al-4V 为主，排气门的材料以Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si（Ti-6242S）为主，Sn和Al通常一起添加，可以得到较低的脆性和较高的强度。添加Mo可增加钛合金的热处理性能，增加淬火钛合金的强度，同时增加硬度。由于形状简单和小巧，所以机械加工是容易制造的，成本也便宜。不一定需要进行特殊的表面处理，和钢制的气门座相比，能减轻10～12g。

福特汽车（Ford）的一项研究报告指出，在一个四缸八气门、1.9 L的发动机中使用钛合金气门，气门质量可减少原钢气门质量的48﹪；发动机气门振动的临界转速可提高650r/min；气门弹簧负荷减少约30%；因气门机构摩擦损失减少，在油耗表现上，平均每升汽油可增加4.3km的里程数。其他具有发展潜力的合金有：

1）进气门可采用Ti-62S，其特性相当于Ti-6Al-4V，且价格较便宜。

2）排气门可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si（Ti-1100），因为Mo含量较低，故其耐潜变抵抗性较Ti-6242S 优，耐氧化温度可达600℃（1100°F）。此合金正由美国赛车零件制造商评估中，应用性指日可待。

3）排气门可采用γ- TiAl。 γ- TiAl 具有耐高温及质量轻的特点，但不适合以传统的锻造法加工，仅适合使用铸造法与粉末冶金法加工。当制造方法更加成熟后，其价格也许会较目前广泛使用的镍基超合金排气门便宜。

气门弹簧座

气门弹簧座必须具备高强度及耐疲劳性，对于耐高温的要求不像气门那么高。β钛合金为热处理型合金，能依固溶时效处理来获得很高的强度，所以Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si 是合适的材料。三菱汽车（Mitsubishi）在其量产汽车上使用Ti-22V-4Al 钛合金气门弹簧座。质量较原钢制锁扣减轻了42%，气门机构惯性质量减少6%，发动机最大转速增加300r/min。

气门弹簧

气门弹簧的作用是使气门能确实的关闭，尤其是发动机在高速运转时，气门弹簧因运动速度加快，易引起弹簧之谐振而导致气门开闭不确实，影响发动机性能，故气门的材料须具备质轻、强度大及耐疲劳的特性。钛合金质量轻、比强度大及剪力模数低，是弹簧的理想材料。圆筒圈状压缩弹簧负荷与变形量之关系式如下：

δ=（8ND3／Gd4） P

式中δ为弹簧变形量，D为弹簧直径，d为线径，G为剪力模数，P为弹簧负荷，N为弹簧圈数。

因钛合金的剪力模数G 较小会使弹簧在受负荷时变形量增加，为了避免这种情形，可使弹簧在设计时有较少的圈数及缩小弹簧直径，如此不但可减少弹簧的变形量，而且尺寸大小仅是钢弹簧的一半，弹簧质量仅为钢弹簧的一半。弹簧质量一减轻，便可提高共振频率，提高发动机气门弹簧谐振的临界转速，增加发动机高速运转之效率。对汽车设计者而言，钛合金弹簧尺寸较小，在空间的应用上会更灵活。

β钛合金因具有高强度及良好的冷加工成型性，所以是气门弹簧的优良材料。一般在商业上使用最多的β钛合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Ti-38644）。

涡轮增压器

使用涡轮增压器可以改善发动机的燃烧效率并增进发动机功率及扭力。然而，涡轮增压器的轮机转子（turbine wheel）长期暴露在850℃以上的高温废气中，故具备耐热性是很重要的条件。传统的轻金属，如铝合金或镍基合金，因其溶点较低，无法使用。虽然陶瓷材料质量轻且耐高温性佳而被应用在轮机转子上，但由于成本高及形状上无法最佳化而使得应用上受到限制。因此Tetsui 等人发展了TiAl 轮机转子，经过了多次的发动机试验，不但其耐久性及效能已受到证实，而且也可以改善发动机加速性及减少废气中的有害物质。此项设计已成功的商业化应用在Mitsubishi Lancer Evolution 系列车款上。

排气系统

钛合金因为具有良好的耐蚀性，故很适合做为排气管（含消声器）的材料。因耐蚀性佳，故排气管的管壁可以作得较薄，约1mm 厚，所以钛排气管与不锈钢排气管比较起来，可减轻约60%的质量，例如409 不锈钢排气管重达10kg，但钛排气管质量只有3.2kg。商业用纯钛（CP）是排气管的理想材料，ASTM Grade 2 之纯钛（如Timetal50A）在取得性、制造性、焊接性与机械性质上是很合适的材料。纯钛可于冷温下成型，所以钛排气管适合于在室温下成型，且其成型的设备与技术皆和钢排气管相同，这使得钛排气管在制程上的成本并不会增加。钛排气管的制程是利用缝焊与电阻焊将膨胀箱（expansion box）焊合，然后再使用惰气金属极电弧焊（gas metal arc welding ， GMAW）或惰气钨极电弧焊（gas tungsten arc welding ， GTAW）将排气管与膨胀箱焊接起来。

其他钛合金部件

钛合金在车辆中广泛应用，能大大消减整车质量和提高耐用性，发动机元件，驱动齿轮系零件、悬挂系统和结构件、车体框架等来讲都可用钛合金取代钢。如发动机摇臂、紧固件、车挡支架、制动器卡钳活塞、销轴栓、离合器圆板、压力板、控制杆、从动轴、阀弹簧和紧固件等。

钛合金零部件的优越性

钛合金具有质轻、比强度高及耐蚀性好等优点，在汽车工业中得到了广泛的应用，应用最多的是发动机系统。钛合金零部件的应用可減少发动机振动与噪声，提高曲轴转动速度，减少曲轴应力，得到较高的发动机扭力，可提高发动机气门振动的临界转速，可减少弹簧负荷，减少气门机构磨损及降低燃油消耗。在汽车的消声器设计、制造及应用是合适的，一方面利用钛合金室温下的高加工性，同时也提高应用高温强度、高耐氧化性及耐蠕变性。钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和汽车的美观等。另外钛合金在汽车节能降耗方面起到了不可估量的作用。

结语

钛合金应用在汽车上已经有良好的效果，但目前多应用于赛车及跑车上。价格昂贵与制造成本高是钛合金不能普遍应用在家庭房车的根本原因。所以，低价钛合金的开发是钛合金实用化的重要关键，以下几点是今后钛合金零部件开发应用的方向：

1）以低价格的添加元素取代钛合金中重要的添加元素如V、Mo 及Nb 等高价元素。

2）开发易切削之钛合金。

3）改善制造钛粉末的方法。

4）使用连续铸造法生产小直径钛棒或平板，可减少人力及能源的運用，降低成本。

5）采用近净型（near net）铸造技术或近净型粉末冶金制程开发低价钛合金。

我国正在大力开展汽车用钛的推广工作。逐渐将钛与汽车联系起来，以促进钛在汽车方面的应用。而汽车用钛研究工作则一直在展开，如粉末冶金钛和TiAl的研究。钛合金价格昂贵主要是受制于目前的冶炼加工技术，而钛在地壳中的半富程度仅次于铝、铁、镁，排第4位。由于钛合金工业不断的在民用产品上的开发应用，钛合金的产量也逐年增加，对钛合金技术的研发也必将得到进一步加强，钛冶炼及加工成本的降低也是必然趋势。因为钛合金在实现汽车轻量化、低燃油消耗率及高性能上的表现，全球范围内节能减排的要求、新能源汽车篷勃发展，简化制造工艺内在降低成本，是未来汽车发展趋势，所以钛合金必将在汽车工业中占有重要的地位，得到广泛应用。钛合金部件在普通家用汽车上的应用在不久的将来必将得到广泛应用。

参考文献

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