鈦合金與汽車輕量化技術

張妍 龐有俊 李楊

中國汽車技術研究中心有限公司 天津市 300393

1 引言

汽車輕量化技術作為汽車工業的重要技術，是解決汽車節能、安全、環保的重要措施之一。在《中國制造2025》文章中，明確指出了先進軌道交通裝備和節能與新能源汽車要發展輕量化技術，此技術重要性不言而喻。而鈦合金從應用之初，就在軍事與航空航天領域發揮了至關重要的作用，圖1所示為鈦合金月球車。隨著社會的發展和國際原油價格的上漲，人們對汽車的排放標準提出了更高的要求，面對這種情況車企不得采用新材料應用到汽車上來，以達到減輕汽車重量的目的，比如鈦合金材料就能達到要求[1]。其實，1956年美國通用汽車公司借助鈦合金制備工藝的快速發展，制造了一種名為“火鳥”的全鈦合金汽車[2]，但是由于鈦合金成本昂貴，后來僅應用在賽車上。本文主要介紹鈦合金的特點及在汽車零件上的應用，并對鈦合金的主要加工方法與成型工藝做了簡述。

圖1 奧迪公司展示的鈦合金登月車

2 鈦合金特點

金屬鈦在地球中含量0.42%，在元素周期表常用結構金屬中位于鋁、鐵、鎂元素之后，含量豐富。但其制備困難，生產成本高，這也是其英文名稱Titanium的由來，一方面說明其性能優異，另一方面又形容其難以從礦石中被提煉出來。鈦及鈦合金在汽車工業上應用的最大問題是其高昂的價格。它的價格通常是鋼的100倍，鋁合金的10倍左右。鈦合金材料的力學性能和疲勞性能相于傳統金屬有突出優勢，隨著冶金和制備工藝的發展，越來越受到人們的重視。

2.1 鈦合金分類

鈦在應用中有純鈦及鈦合金兩類。鈦在常溫下有兩種同素異晶結構，分別為密排六方的α-Ti與體心立方的β-Ti。為了進一步提高鈦的性能，常常加入合金元素進行強化，形成鈦合金，主要強化元素有Al、Sn、V、Cr、Mo、Mn等。按照常溫下鈦合金的各項所占的比例分數，可以將鈦合金分為α鈦合金，近α鈦合金，α+β鈦合金和β鈦合金四類。其中應用最為廣泛的是α+β鈦合金，其代表產品為Ti-6Al-4V。

2.2 鈦合金性質

鈦的密度我們一般認為是4.51g/cm3，大約為鐵的三分之二，是比較輕質的金屬。熔點為1668℃，比鐵、鎳都高，可以作為耐熱材料[3]。鈦合金的強度高，傳統的鈦合金強度大多在800-1200MPa之間，經過時效強化的鈦合金強度可以達到極高的水平，在1600MPa左右。塑性較好，而且有很好的疲勞強度，耐高溫性能也優于一般金屬。

3 鈦合金零件在汽車上的應用

目前，發動機的各種零件中利用鈦合金制造的零件主要有：發動機連桿、凸輪軸、進/排氣閥、氣門彈簧座以及一些重要的汽車三大件配套零件，如渦輪增壓盤、各種螺栓、發動機的關鍵密封件等。圖2清楚的表明了現在或者將來鈦合金能夠應用到汽車上的零部件分類[4]。主要從下面幾個方面說明鈦合金在汽車零部件應用的優劣勢。

圖2 鈦合金在汽車中的應用部位

3.1 發動機部件

在發動機的組成中，我們一般認為連桿是最需要利用鈦合金材料制作的。目前來說，使用的鈦合金是Ti-6Al-4V鈦合金連桿所用的材料主要有 Ti－6Al－4V、Ti－10V－2Fe－3Al和Ti－3Al－2.0V等。發動機連桿選用鈦合金最大的優勢是對汽車輕量化的貢獻，有效減小了發動機的重量，同時由于鈦合金優越的性能也可以提高發動機機械效率和增加燃油經濟性，比金屬連桿達到減重15%～20%的效果。與此同時，鈦合金還有優異的的抗疲勞性能，在高、低周疲勞性能測試中表現優秀，使汽車關鍵零部件抗疲勞性能得以大幅提升。

汽車零部件疲勞問題一直是主機廠最為關注的幾個問題之一，首先發動機連桿在工作時，不僅要受到往復拉壓載荷，我們認為這是低周疲勞，當汽車高速行駛發動機轉速很高時，連桿受到高頻沖擊載荷，我們認為此時是高周疲勞，此時需要連桿鑄造材料既能承受低周疲勞的抗拉要求，還能承受高周疲勞沖擊載荷。我們可以采用噴丸這種傳統工藝來對汽車零部件材料表面進行處理來增加其抗疲勞特性，但是Ti-6Al-4V合金可以敲好滿足這一需要。不過，這種材料還是有明顯的缺陷，比如耐磨性可能差些或者剛度、硬度上不能滿足要求，同時金屬材料的表面處理工藝對此改善效果并不明顯。

鈦合金材料還廣泛應用在各種氣閥上。但是生活中的各種氣閥一般都處在惡劣的工況中，比如高溫、高壓等。因此材料對抗氧化能力和抗蠕變能力，以及抗拉強度都有較高要求。目前為止，該材料被廣泛應用在賽車的氣閥上，但是γ-TiAl的室溫塑性平均不超過1%，非常的不安全，還有制備成本高，工藝技術達不到要求等，所以γ-TiAl合金真正應用在汽車上還需要很長的時間。目前，有些汽車的排氣管采用純鈦來達到減輕車重的目的。但是，純鈦在排氣管的高溫下性能表現并不如傳統不銹鋼排氣管，因此將鈦材料應用到排氣管中并不是完全的理想狀態，接下來主機廠還是應該尋求一個折中的解決辦法，既能減輕汽車重量又能達到降低成本、延長壽命的目的，可以從提高鈦合金的高溫抗氧化能力和室溫塑性方面入手，也可以從鈦合金材料和不銹鋼材料結合的方面來考慮。

3.2 排氣系統

鈦合金材料還廣泛應用在汽車的排氣系統中。由于鈦合金的焊接性能好，因此，排氣管采用鈦合金制造將會延長排氣管使用壽命，一般為13年左右，但是傳統不銹鋼材料壽命一般只有鈦合金材料的一半。用鈦合金材料做排氣管可以達到降低成本和節約更換排氣管時間的目的。

3.3 車用彈簧

目前，汽車彈簧是最開始大規模使用鈦合金材料的，并且取得了比較好的效果，可以認為彈簧將鈦合金材料的優勢發揮的很全面，在服役性能方面遠遠超過了傳統的鋼材。

圖3 鋼制彈簧與鈦制彈簧對比

鈦合金制造的彈簧優勢很明顯：首先從最基本的彈簧的彈性來說，鈦合金有良好的力學性能，比金屬彈簧的彈性模量小很多且彈性極限和彈簧應變能都很高，可以達到金屬彈簧的十幾倍左右，因此在汽車上適合制造彈性元件，使用鈦合金彈簧可以明顯改善乘坐舒適性；鈦合金相比于其他材料還有較長的使用壽命，在高低周疲勞工況中，表現出了優秀的抗疲勞性能；汽車的懸架彈簧等很多彈簧部件都是直接與空氣接觸，鈦合金材料的強抗腐蝕性正好滿足了這一要求，并且不需要做防銹等表面處理，明顯減輕了汽車的保養壓力，汽車全壽命周期內幾乎不需要更換；β鈦合金是制備鈦合金彈簧的主要材料，在淬火時具有強度低的特點，這對于冷拔拉絲非常有好處，后面可以通過時效處理提高其強度，工藝并不復雜，成本相對也不算高；鈦合金的密度小于鋼材，這對汽車輕量化也是有利的，見圖3。并且，我們假設彈性功為一定值，那么經過測量鈦材質的彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，可以降低車身高度，減輕車重，降低了風阻，提高了燃油經濟性。所以，我們有理由認為鈦合金是制備彈簧的理想材料。二十一世紀初，大眾汽車公司率先在某款轎車上將鈦合金彈簧作為了標配，汽車減重為82千克，相比于鋼彈簧減重達到60%～70%，彈簧高度也相比降低40%左右[5]，在當時來說也是邁出了實現汽輕量化中重要的一步。

4 關鍵工藝概述

鈦合金的成本很高，主要體現在其制備的成本高。在加工方面，傳統的機加工、鑄造、鍛造等普通鋼材所能應用的工藝在鈦合金上同樣可以應用，但加工工藝較鋼來講要求比較高。然而，經過近年來的不斷研究，人們對鈦合金有了更加深刻的認識一些新工藝和新方法應用在鈦合金的制備與加工上，并不斷提高著鈦合金的成形質量與降低著加工成本。

4.1 鈦合金的制備

隨著科學技術的發展及人們對鈦元素了解的深入，人們在海綿鈦的制備工藝上取得了巨大的進步。來自英國劍橋大學的科學家首次利用電化學法（FFC方法）最先制備了海綿鈦[6]，見圖4.該方法主要提純了其他合金中的氧化物，這是其他工藝目前所不具備的優勢，另外，還簡化了制備工藝，降低了成本。在鈦合金的制備過程中，為了降低成本通常使用便宜的母合金來代替昂貴的合金化元素。之前就有很多美國公司，比如TIMETAL公司生產的Timetal LCB鈦合金，就是利用低廉的Fe-Mo中間合金來代替了很多昂貴的合金元素，從而達到使鈦合金的價格降低的目的。目前，這是制備該材料最常用的工藝，具有技術成熟，成本低等特點，某些汽車廠商已經開始將其用于汽車零部件的生產。

圖4 FFC方法原理

4.2 鈦合金的加工

由于鈦合金具有的特殊的物理和化學性能，其機加工存在一些限制。鈦的熱導率低，彈性模量較低，而且硬度也較低，化學活潑性較高，這就在加工過程中，不可避免的要采用大量切削液以起到快速冷卻的效果；采用特殊的夾具來減輕回彈帶來的工件尺寸問題；加工前也應有特殊的表面處理來去除氧化皮。

鈦合金的焊接性能良好，是比較適宜采用焊接工藝的金屬。但由于化學活潑性高，通常采用氣體保護焊，以避免焊接對零件造成強度下降等缺陷。

對于鑄造，由于其材料利用率高，可以生產出形狀復雜的零件，被廣泛應用于鈦合金零件的加工制造中。其中熔模鑄造可以生產尺寸精度高、表面質量好的零件，主要應用于航空航天和民用的高性能零件上。如汽車發動機上的連桿等均是鑄造而成。

此外，現代加工工藝比較成熟且大規模應用的就是粉末冶金，在材料加工和先進制造領域有很廣泛的應用，尤其是在鈦合金領域發揮著越來越重要的作用，我們將鈦材料制成粉末狀利用近成型技術可以直接制造汽車零部件，用這種方法可以有效降低原材料的損失，大幅減少制備時間，成本比常規工藝可節省20%～50%[7]。示意圖5展示了粉末冶金技術在車用鈦合金零部件制備流程。主要是混合鈦粉和TiB2，TiC產生混合粉末，然后再400MPa工況下冷等靜壓，緊接著1300°高溫真空燒結3小時，最后通過熱等靜壓、鍛造或擠壓來成型，制備工序有所減少，制備工藝有所簡化，原材料使用較少，成本降低。但是由于其制備工藝的特殊在某些性能上可能不如傳統的鍛造工藝。

圖5 粉末冶金法生產零件

目前采用粉末冶金技術制備汽車零部件的工藝已經相對成熟，通常是由混合粉末開始，然后經過冷等靜壓、燒結、熱等降壓、鍛造、擠壓成型等工序，最后制備出我們所需要的汽車零部件。該工藝具有工序步驟少，原材料消耗少，成本降低等優勢。但是，粉末燒結工藝使這種鈦合金的性能相比鍛造工藝生產的鈦合金有所降低。

5 總結

目前，為了滿足國家節能減排的要求，汽車輕量化設計逐漸被車企所重視，不得不研制新的適應市場要求的高性能材料，與此同時，鈦合金所具有的優勢將逐漸進入大眾的視野。

雖然鈦合金的使用已經越來越寬，相比較其性能優勢，成本劣勢仍然嚴重阻礙了鈦合金的發展。相信隨著科技的進步，一定會有新的工藝研究出來，屆時車用鈦合金的成本將會大幅度降低，車用鈦合金還有廣闊的發展空間。個人認為，為了更好地發展汽車輕量化，應該從汽車零部件的服役性能要求出發，有針對性的選擇來發展鈦合金零件在汽車上的應用，使消費者逐漸認識這種材料，愿意為其買單。同時，也應該加快新技術在制備工藝上的實踐應用，盡早的將鈦合金從昂貴的制備成本中解放出來。