Ti-6Al-4V鈦合金材料在汽車零部件中的應用

1、汽車發動機

動力傳動裝置的核心是內燃發動機。內燃機往復運動式零件和轉動式零件的質量嚴重地影響燃油是否節約。發動機的連桿對材料的強度、疲勞性能、剛度(特別是大頭端)及耐磨性能都有嚴格的要求,而鈦的強度和疲勞性能更適合制造這些零件。鈦連桿質量的減輕,結合以質輕的活塞和活塞銷,使噪聲、震顫、車身跳動明顯減輕,改善了發動機的工作性能。同時,這些零件如果用鈦制造,還可以提高發動機的工作溫度。活塞銷要求材料具有一定的強度、耐磨性能、高剛度和耐高溫,目前最佳選擇是密度低、高溫強度高、生產成本相對不高的金屬間化合物γ-TiAl。對更高速度的發動機而言,其氣門傳動機構也以使用抗蠕度、抗氧化的鈦材為宜。尤其是使用γ-鋁化鈦作氣門彈簧,除減輕質量,還可將發動機速度提高10%。

上世紀90年代末,日本豐田汽車公司率先在中型家庭轎車Altezza上使用了鈦發動機氣門。豐田采用粉末冶金技術用Ti-6Al-4V/TiB2粉(Ti-6Al-4V內混入5%TiB2。TiB2起顆粒增強作用,不但提高了材質室溫和高溫性能,還提高了揚氏模量)制造進氣氣門,用Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB2制造工作溫度較高的排氣氣門，Altezza2-1型發動機共有16個氣門,使用鈦材約重400g(使用鋼氣門重約700g),從而可依據減輕的質量縮減氣門彈簧尺寸。

此外,本田公司的AcuraNSX的V-6發動機連桿,日產公司InfiniteV-8的發動機氣門及雅馬哈250CC摩托發動機上的氣門,也都相繼使用了鈦材。

2、排氣系統

主要由排氣管和排氣消音器形成的排氣系統也是適于使用鈦的領域。奧地利運動型摩托車制造廠(KTM)的LC8型摩托發動機(Motocross)的排氣系統用鈦制造,其排氣消音器的壁厚僅為0.3mm。減重帶來使用年限的延長,因而該系統成為最先投入批量生產的鈦排氣系統。美國通用汽車公司在其生產的ChevroletCorvetteZ06運動車的排放系統組件上全部用2級鈦制造,質量從不銹鋼的18.6kg下降為11kg。而鈦零件的應用使車的使用年限達到了12～14a,而使用不銹鋼只有7a。

3、彈簧

鈦具有較低的彈性模量(表1,更確切地說其切變模量約為鋼的一半,當使用鈦做彈簧,低的模量和密度與許用應力相結合,彈簧質量趨于最低值,而同時彈簧的變形與切變模量成反比。因此使用鈦只需纏繞數圈即達到鋼制螺旋彈簧的效果,縮小了彈簧的占有空間(為彈簧高度的50%～80%)并減輕約50%的質量。

2000年開始,德國大眾在其緊湊型轎車LupoFSI的后橋上裝備了鈦后懸簧。目前已用TimetalLCB(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al,一種低成本β-鈦合金)代替Ti-6Al-4V。這種鈦合金的切變模量甚至比標準的α-β鈦合金Ti-6Al-4V還低,在性能上具有優勢,且熔煉合金時使用鉬鐵合金代替昂貴的釩,降低了合金的成本。

4、底盤

鈦在底盤中除用作后橋的螺旋彈簧之外,大眾從1998年開始,將汽車制動器摩擦襯片連接突緣內的密封墊圈由鋁改用鈦制造。選用I級化學純鈦以保證擰緊螺帽實現氣密連接時墊圈有足夠的變形余地。采用Ⅰ級純鈦的另一個原因是它抗腐蝕。梅賽德斯·奔馳公司1998年則在制動器導向銷上使用了Ⅱ級化學純鈦,保證了汽車使用年限的延長。還有人推薦用Ⅳ級化學純鈦(即工業純鈦,美國根據其ASTM標準按其氧、氮、氫、碳、硅和鐵等雜質含量的多寡分為Ⅰ-Ⅳ4個級別,Ⅰ級質量最佳)制造抗蝕、質量輕、熱導率低的制動器襯套頂板。

在底盤上使用鈦,除減輕質量外,直接導致車在行進中更令人舒適,因為質量輕更易于吸收路面不平坦造成的顛簸。

另外,一些鍛造零件如轉向節、車輪托架、懸架臂和輪轂等也以用Ti-6Al-4V和Ti-6222為宜。但鈦材的鍛造目前仍十分困難。