钛合金在汽车工业中的应用-行业动态-钛饼-钛环-钛换热器-钛反应釜-宝鸡亿沐鑫新材料有限公司

近些年来，随着汽车工业的迅猛发展，汽车产生的油耗、环保和安全的问题日益受到人们的关注。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。根据国际权威部门统计的数据，汽车燃料燃烧能量的60%消耗于自身质量，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重量方面已经发挥了作用，但是工业用钛材料的出现使得汽车制造有了更好的选择。

钛金属具有密度小、比强度高、耐蚀性好的优点，汽车采用钛材料可极大地减轻车身质量，降低燃料消耗，提高发动机的工作效率，改善环境和降低噪声。但是昂贵的价格，使得钛合金在汽车工业中只能在豪华车型和跑车上有一些应用，在普通汽车上鲜有应用。因此，研究与开发适应市场需要的低成本钛合金是推动其应用于普通家用汽车的关键。

尽管钛合金已广泛应用于航空航天、石油化工以及舰船工业上，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，钛制汽车零部件直到20世纪80年代才达到批量生产的水平，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飞快发展。1990年全世界汽车用钛量仅为50t，1997年达到了500t，2002年达到了1100t，2009年达到了3000t，预计2015年全世界汽车用钛量将突破5000t。目前钛合金零部件有以下几种比较常用。

1. 发动机连杆钛合金是连杆用材料的理想选择。

用钛合金制造的发动机连杆能有效减轻发动机质量，提高燃油利用率和减少排气量。相比于钢制连杆，钛制连杆可减轻15%～20%的质量。钛合金连杆的应用首先在意大利的新型法拉利轿车3.5LV8与Acura的NSX发动机上得到了体现。钛合金连杆所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等，其他钛合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在连杆中的应用也在研发中。

2.发动机气门

用钛合金制造的汽车发动机气门，不但能减轻质量、延长使用寿命，而且可降低油耗和提高汽车的可靠性。钛制气门与钢制气门相比，质量可减少30%～40%，发动机极限转速可提高20%。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-6242S为主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到较低的脆性和较高的强度；Mo的添加可改善钛合金的热处理性能，加强淬火及时效钛合金的强度，同时增加硬度。其他具有发展潜力的钛合金有：
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，因为较低的Mo含量，故其耐潜变抵抗性较Ti-6242S优，耐氧化温度可达600℃。
3）排气门可采用γ-TiAl，其具有耐高温及重量轻的特点，但加工时不适合用传统的锻造法，仅适合采用铸造法与粉末冶金法加工。

3.气门弹簧座

高强度及耐疲劳性是汽门弹簧座必须具备的性能，β钛合金为热处理型合金，能通过固溶时效处理来获得很高的强度，相应的比较适合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽车在其规模化生产汽车上使用Ti-22V-4Al 钛合金汽门弹簧座，较原钢制锁扣减轻了42%的质量，气门机构减少了6%的惯性质量，发动机最大转速增加了300r/min。

4.钛合金弹簧

钛及其合金相对于钢材料具有较低的弹性模量，σs/E值大，适合制造弹性元件。与钢制汽车弹簧相比，在相同弹性功的前提下，钛制弹簧的高度仅为钢弹簧的40%，质量仅为钢制弹簧的30%～40%，便于车体设计。另外，钛合金优异的疲劳性能和耐蚀性能可提高弹簧的使用寿命。目前，可用来制造汽车用弹簧的钛合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C-3Al等。

5.涡轮增压器

涡轮增压器可以提高发动机的燃烧效率并增强发动机的功率及扭力。涡轮增压器的轮机转子需要长期工作在850℃以上的高温废气中，因此要求有很好的耐热性。传统的如铝合金等轻金属，因熔点较低而无法使用。虽然陶瓷材料因为重量轻且耐高温性佳而在轮机转子上得到应用，但由于成本高及形状上无法最佳化而使其应用受限。为了解决这些问题，Tetsui等人研发了TiAl轮机转子，经过多次试验验证，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善发动机的加速性。此项设计已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列车型上得到了商业化应用。

6.排气系统及消声器

钛在汽车的排气系统中使用量较大。用钛及其合金制造的排气系统，不仅可以提高可靠性、延长寿命和改善外观，还可以减少质量及提高燃料燃烧效率。钛制排气系统与钢制排气系统相比，质量可减少约40%。在Golf系列汽车中，钛制排气系统质量可减少7～9kg，目前排气系统使用的钛材主要为工业纯钛。钛制消声器质量只有5～6kg，比不锈钢等消声器轻。2000款雪佛莱CorvetteZ06汽车上用一个11.8kg的钛消声器和尾气管系统代替原来20kg的不锈钢系统，质量减轻了41%。替代后的系统强度不变，并使汽车速度更快、操作更灵活及节约燃料。消声器使用的钛材同样主要是工业纯钛。