钛及钛合金在汽车中的应用现状

摘 要：随着对低油耗高性能汽车需求的不断增长，钛及钛合金凭借其优越的材料性能，逐渐被汽车工业所重视。如何在汽车行业利用钛及钛合金已成为研究的热点。本文详细的介绍了钛合金在汽车发动机零部件，整车用零部件和防腐蚀零部件的应用案例，分析了钛合金在汽车零件上的应用优势及存在的问题，最后对将来车用钛合金的发展前景进行了展望。

关键词：钛及钛合金；汽车零部件；应用现状

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.030

0 引言

随着汽车保有量不断的持续快速增长，汽车的排放污染对我国环境质量造成了严重威胁。这种现状使得我国的汽车行业面临着严峻的挑战。要解决汽车保有量增加带来的巨大能源消耗和环境污染问题，我国的汽车行业必须采取积极有效的节能减排措施。汽车 “轻量化”是汽车行业一项非常重要直接的节能减排的措施，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%的重量，废气排放量可减少10%，可降低油耗 7%[1]。钛及钛合金是 20 世纪 50 年代发展起来的一种非常重要的金属及合金，它们具有密度小，抗腐蚀性能强，比刚度、比强度高，抗疲劳和蠕变性能好，高温力学性能优等优良的综合性能[2]。钛及其合金逐渐广泛的应用于汽车行业，它的使用减轻了车身自重，带来燃料消耗的降低和工作效率的升高，并提供更低的排放来改善环境。因此钛及钛合金是实现汽车节能减重的最理想金属，也是以后汽车设计制造中重要的发展方向。

1 钛及钛合金在汽车上的应用

目前，在国内外钛及钛合金在汽车产品上的用途主要分为两大类，第一类的目的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。对于高速往复运动零件而言，即使质量减少几克也会对零件性能造成非常大的影响，而降低汽车总质量是我们节能减排的重要措施之一。第二类是用来制作耐腐蚀件，主要包括排气系统，底盘零件，悬架系统等零件这类所处环境恶劣的汽车零部件，提高汽车零件的使用寿命。目前为止，汽车上钛及其合金主要应用在发动机关键元件和底盘部件上。在发动机系统中，钛及其合金可制作连杆、阀门弹簧、阀门、阀簧承座等部件；在底盘部件主要为消声器及其连接件、减震弹簧、半轴和紧固件等[1]，主要使用部位的示意图如图1所示[3]。

2 发动机用零部件

2.1 发动机气门

用于发动机上的进、排气门，是发动机中的重要部件。进排气门工作环境十分恶劣，它不仅受到高温燃气的冲击，还要承受高频的往复高应力的反复作用。气门质量的轻微改变都会很大程度影响发动机的性能。钛合金对于发动机进排气门是一种非常理想的结构金属，利用钛及其合金来制作发动机的气门，可以极大的减轻气门重量，降低往复惯性力以提高提高转速，延长使用寿命，节省燃油[4][5]。美国和日本先后有公司把钛合金气门应用到发动机上，其中，日本早在20年前就把钛应用于赛车及一部分跑车，如日产R382汽车因采用了钛合金制气门，在日本大赛中获胜。户田制作所用Ti-6Al-4V生产的进、排气气门，降低了气门质量，提高了轻度，从而改善了发动机的性能，结果使汽车速度提高10%～15%。采用优良的钛合金粉末制成汽车进、排气气门已通过日本丰田公司的应用考核，目前已装配在新型的丰田轿车上[6]，其开发的气门如图2。在美国方面，利用钛合金制作发动机进、排气门比较普遍。由考虑到进排气门工况的不同，所以采用不同特性的钛合金，进气门使采用6Al-4V合金，排气门使采用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金。

2.2 气门座

钛制气门座广泛应用于是赛车上，它一般用Ti-6Al-4V合金制造，也有采用Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制作的。气门座形状非常简单，加工制造成本低廉，也不必要进行一些特殊的表面处理，所以也是最容易推广的汽车钛零件。钛制的气门座和钢制的气门座相比，能减重10 g～12 g[7]。

2.3 连杆

连杆是汽车的高速运动件，用钛合金制造连杆对提高发动机性能最有效，钛制连杆能极大地提高燃油效率，减少排气量。与钢制连杆相比，钛制连杆的重量可以减轻15%-20%，速度提高15%。首次使用钛合金连杆的汽车是意大利的法拉利（Ferrari）315LV8发动机与Acura的NSX发动机 [8]。1992年，日本本田轿车在新型高性能轿车上应用Ti-3Al-2V-rareearth材料的钛合金连杆，极大提高了车辆性能。1999年，保时捷运用Ti-6Al-4V材料制作钛合金连杆，提高了发动机转速，增强了发动机功率，减小了燃料消耗，取得较好效果。国内有研究表明，钛合金连杆和钢制连杆在保持相同的油膜厚度条件下，采用钛合金连杆的发动机转速比采用钢制连杆的发动机转速可提高700 r/min。转速的提高可使发动机的输出功率大幅度提高，并且降低发动机的噪声和排放，有利于环保。

2.4 曲轴和其它发动机部件

曲轴是发动机中重要的运动部件，对其质量的减轻可以提高发动机转速和降低振动和噪声。目前，钛合金曲轴还处于研究阶段，日本正在试制Ti-5Al-2Cr-1Fe合金曲轴，但是这种曲轴因需要进行防粘接处理，目前还未实用。其它发动机部件如摇臂，气门弹簧，活塞阀，涡轮盘和连杆的连接螺栓等可利用钛合金来自制造，并有成功的例子，如1999年，丰田公司就在它的汽车上运用了Ti-6Al-4V & PM-Ti材料制作的活塞阀。2000年，三菱公司在汽车上运用了β-titanium alloys簧保持器和γ-TiAl涡轮盘。

3 整车用零部件

3.1 车用弹簧

钛合金弹簧是汽车上应用最广，也是目前应用最成功的零件之一。与汽车使用的普通钢弹簧相比，有以下6个方面的优势：

（1） 在满足相同弹性功能的前提下，钛合金弹簧比钢制弹簧的高度降低了40%，可以降低车身高度； （2） 因为钛弹簧弹性极限高，弹性模量低，这就导致弹性应变能非常高，是普通钢制弹簧的 10倍以上，因此，对乘车舒适度有着非常明显的改善；（3）钛合金具有优异的疲劳极限性能，可以承受较大弯曲疲劳强度的载荷，增长了使用寿命；（4） 车用弹簧往往是裸露在环境中的，所以要求很强的抗腐蚀性能，钛合金弹簧不用对表面做额外的防锈处理就能拥有很强的抗腐蚀性能，并且使用寿命比汽车本身还长，无需中间更换；（5）制备弹簧的钛合金一般为 β 钛合金，其，加工容易，生产设备简单；（6）由于钛合金的密度小，钛弹簧的质量比钢弹簧重量减轻60%～70 %，所以在油耗方面表现优异。endprint

从以上6个方面的优势，可以看出钛合金弹簧应用到汽车上是非常具有优势的，同时也涌现出一批装备钛合金弹簧的汽车。1999年，欧洲大众汽车公司在Lupo FSI上首次使用了TIMETAL LCB材质的钛合金弹簧。2003年，法拉利采用了同样材质的钛合金弹簧（图3）。

3.2 紧固件

目前，钛合金紧固件在飞机，航天以及船舶上被广泛的运用，但是在汽车上的应用比较少。随着人们对汽车使用和性能要求的不断提高，在2009年3月初世界首辆陆空两用汽车在美国实现了首飞。2010年7月6日，美国Terrafugia公司制造的陆空两用汽车，被美国航空主管部门允许投入商业性生产。这些高科技的汽车对零件的特殊要求加大了对钛合金在汽车上的运用范围，从目前汽车发展趋势来看，未来轻型运输工具中运用钛紧固件是一条可行或必须的道路的。

3.3 车体及其他部件

Timet认为钛及其合金可用在家用汽车中，以大大削减车重，提高效率，降低排放。可以运用的部件包括发动机元件、悬挂系统、驱动齿轮系零件、减震缓冲器中心杆、门突入梁、挂耳螺帽和螺栓、控制杆紧固件、车挡支架、从动轴、销轴栓等。用Ti-6Al-4V合金可制造离合器片、压力板等变速器部件。日本利用一种新的组合滑动模开发了一种汽车钛合金链轮。

4 防腐蚀零部件

4.1 回气管

钛制尾喷管/回气管组件由于良好的抗腐蚀性能，可以不受路盐和含有硫的排出废气的腐蚀，不会产生点蚀.并与不锈钢回气管相比可减轻40%的重量，同时降低油耗。新型雪佛莱CorvetteZ06型车中，与传统不锈钢零件相比每辆汽车可减轻8.2kg重量，这是一个很可观的重量削减。

4.2 消音器

对于消声器这样大尺寸的汽车零件，是节能减重的重要关注对象。消声器减重不仅能减低燃油消耗，更能提高发动机和车辆的整体性能。目前，汽车在消耗钛材料一大半都用于消声器。钛制消声器与不锈钢消声器相比有如下优点：

（1）钛消声器比传统的消声器减重40%以上；（2）钛合金焊接性能较好，与不锈钢相比不容易焊缝开裂；（3） 钛合金消声器不受路盐和含有硫的排出废气的腐蚀，耐腐蚀性能优于不锈钢；（4）钛合金的回收利用要好于不锈钢；

基于以上钛合金消声器的优良性能，全球各大汽车厂家纷纷尝试在自己的产品中运用钛消声器。GM公司的2000款雪佛莱Corvette Z06汽车上，用了一个11.8 kg重的钛消音器和尾气管系统代替了原来重20 kg的不锈钢系统，减重41%，强度不变，开创汽车用钛消声器的先河[1]。2010年末开始批量生产的雷克萨斯LFA采用了Ti-1.2ASNEX材质的消声器，也取得较好的效果。

5 钛及钛合金在汽车上的发展前景

目前，为了满足市场对车辆节油和环境保护的要求，车辆的设计的轻量化扮演着越来越重要的地位，这时钛制汽车零件表现出的优异性能，将是汽车设计开发重要的发展方向。在上文中已经阐述了钛及钛合金在汽车上主要的应用部位及相应成功的例子，可见在汽车上钛合金的用途非常的广泛，但是目前汽车上钛零件应用的还是较少，制约其在汽车上运用的因素还是成本。但是，随着科学技术的不断进步，目前各种低成本钛合金不断地研发成功，在汽车上钛合金的成本将会越来越低，钛零件运用将会是有着很大的发展空间。到2015年，全球的乘用车和商用车产量将超过7700万辆，其中预计中国贡献40%左右，约3000万辆，如果每辆车上有1kg钛零件使用，那么全球汽车用钛就将达到77000多吨，中国汽车用钛达到接近30000吨，这将是非常大的市场。

综上所述，钛及钛合金在汽车行业的运用将有非常大的发展前景，它会为汽车的工业进一步发展提供强大的推进力。

参考文献：

[1]李中，陈伟等.钛在汽车上的应用[J].世界有色金属， 2010（01）：66-69.

[2]彭昂，毛振东.钛合金的研究进展与应用现状[J].船电技术，2012，10（10）：57-60.

[3]Friedrich H et al. Titanium in Automotive Applications-nightmare， Vision or Reality[M]. Weinheim： TMS， 2003：3393

[4] Toshiya Yamaguchi et al. Development of P/M Titanium Engine Valves[J].SAE 2000-01-0905

[5]燕来荣.现代汽车上的钛合金[J].交通与运输，2006（03）：66-67.

[6]肖永清.诠释现代车用钛合金的应用及前景[J].铝加工，2008（01）：41-43.

[7]冯颖芳.发展中的汽车用钛合金[J].钛工业进展，2002（03）：9-11.

[8]罗鹰.铝、镁、钛合金材料在汽车发动机中的应用[J].上海汽车，2009，03（03）：43-45.

基金项目：攀枝花学院2013年校级项目（2013YB45）.

作者简介：姚杰，男，四川人，硕士，讲师，研究方向：新能源汽车。endprint