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钛合金在汽车轻量化制造中的应用

2021-08-21 11:15:48

钛及钛合金具有密度小、机械性能优异、生物相容性好、耐腐蚀、耐高温、低温韧性好等特点, 目前已被大量应用于汽车制造领域。目前大部分钛棒厂家钛合金生产不限于航天行业,已经开始设计民用行业,并且民用行业需要量也越来越大。

  钛合金密度只有钢的60%, 而强度可以达到800MPa以上, 在500℃左右仍然保持良好的机械性能, 且焊接和成形性能都较好, 在20多年以前就已经被应用于赛车的制造上, 大幅减轻了赛车发动机的质量, 同时提高了发动机性能。

钛合金

  目前, 汽车制造中所使用的钛合金零部件主要分布在汽车排气系统、发动机系统、传动和减振系统以及车体框架部分。


1. 排气系统

  汽车排气系统材料要求具有较好的高温力学性能和耐S、Cl元素腐蚀性能。传统的排气门组件都是由不锈钢制备的, 但是人们发现钛合金在性能方面更加适合用作排气门材料。

  在新型的雪佛兰Corvette Z206汽车上使用的钛制回气管, 有效地避免了不锈钢管上出现的点蚀和焊缝锈蚀等问题, 同时还提高了燃油的燃烧效率和加速能力, 缩短了制动距离。

  美国的钛材制造商Timet一直致力于钛合金排气系统的研发与制造, 日本多家公司也开展了相关的研制工作, 目前, 富士重工株式会社已经限量生产了440套钛合金车用排气管。

  2. 发动机系统

  汽车发动机系统是汽车领域使用钛合金最多的部件,钛螺丝在发动机系统上的应用主要有气门、连杆、曲轴、气门座等零部件。

  日本本田汽车公司在NSX赛车V-6发动机中使用了锻造钛连杆;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。

  (1) 气门

  钛合金气门方面, 美国和日本都进行了大量的研究工作, 美国目前普遍使用Ti-6Al-4V合金制造进气门, 使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-2M o合金制造排气门;而日本丰田公司则使用Ti-6Al-4V/Ti B合金制备进气门, 使用Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B合金制备排气门。这几类钛合金都具有较好的高温力学性能、抗氧化和抗蠕变性能, 有效改善了发动机性能, 提高了汽车速度。

  (2) 气门座

  钛合金气门座在赛车和运动汽车上已得到广泛的应用, 每年生产25万套以上, 主要采用Ti-6Al-4V或Ti-5Al-2Cr-1Fe合金制备, 由于气门座形状比较简单, 所以在机械加工方面要求不高, 且不需要特殊的表面处理, 成本较便宜, 在汽车减重方面效果明显。

  (3) 连杆

  钛合金连杆的使用能够有效减轻发动机的质量, 提高汽车性能。目前主要的制备材料为Ti-6Al-4V合金。日本大同株式会社目前正在开发一种两相钛合金Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La, 该合金具有良好的切削性, 在力学性能、疲劳性能和耐腐蚀性方面也较为优异, 期望用在发动机的急加速、急减速的连杆部件上。

  (4) 曲轴

  钛合金曲轴目前虽然没有得到广泛的应用, 但是日本专门开发的Ti-3Al-2.5V合金已经在本田赛车上面得到验证, 在有效减轻质量的同时, 将发动机转速提高了700r/min, 证明了钛合金曲轴的优越性。同时, 日本已经在试制Ti-5Al-2Cr-Fe合金曲轴, 期望钛合金在曲轴部件上得到更加广泛的应用。

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