Ti-6Al-4V钛合金材料在汽车零部件中的应用

1、汽车发动机

动力传动装置的核心是内燃发动机。内燃机往复运动式零件和转动式零件的质量严重地影响燃油是否节约。发动机的连杆对材料的强度、疲劳性能、刚度(特别是大头端)及耐磨性能都有严格的要求,而钛的强度和疲劳性能更适合制造这些零件。钛连杆质量的减轻,结合以质轻的活塞和活塞销,使噪声、震颤、车身跳动明显减轻,改善了发动机的工作性能。同时,这些零件如果用钛制造,还可以提高发动机的工作温度。活塞销要求材料具有一定的强度、耐磨性能、高刚度和耐高温,目前最佳选择是密度低、高温强度高、生产成本相对不高的金属间化合物γ-TiAl。对更高速度的发动机而言,其气门传动机构也以使用抗蠕度、抗氧化的钛材为宜。尤其是使用γ-铝化钛作气门弹簧,除减轻质量,还可将发动机速度提高10%。

上世纪90年代末,日本丰田汽车公司率先在中型家庭轿车Altezza上使用了钛发动机气门。丰田采用粉末冶金技术用Ti-6Al-4V/TiB2粉(Ti-6Al-4V内混入5%TiB2。TiB2起颗粒增强作用,不但提高了材质室温和高温性能,还提高了扬氏模量)制造进气气门,用Ti-Al-Zr-Sn-Nb-Mo-Si/TiB2制造工作温度较高的排气气门，Altezza2-1型发动机共有16个气门,使用钛材约重400g(使用钢气门重约700g),从而可依据减轻的质量缩减气门弹簧尺寸。

此外,本田公司的AcuraNSX的V-6发动机连杆,日产公司InfiniteV-8的发动机气门及雅马哈250CC摩托发动机上的气门,也都相继使用了钛材。

2、排气系统

主要由排气管和排气消音器形成的排气系统也是适于使用钛的领域。奥地利运动型摩托车制造厂(KTM)的LC8型摩托发动机(Motocross)的排气系统用钛制造,其排气消音器的壁厚仅为0.3mm。减重带来使用年限的延长,因而该系统成为最先投入批量生产的钛排气系统。美国通用汽车公司在其生产的ChevroletCorvetteZ06运动车的排放系统组件上全部用2级钛制造,质量从不锈钢的18.6kg下降为11kg。而钛零件的应用使车的使用年限达到了12～14a,而使用不锈钢只有7a。

3、弹簧

钛具有较低的弹性模量(表1,更确切地说其切变模量约为钢的一半,当使用钛做弹簧,低的模量和密度与许用应力相结合,弹簧质量趋于最低值,而同时弹簧的变形与切变模量成反比。因此使用钛只需缠绕数圈即达到钢制螺旋弹簧的效果,缩小了弹簧的占有空间(为弹簧高度的50%～80%)并减轻约50%的质量。

2000年开始,德国大众在其紧凑型轿车LupoFSI的后桥上装备了钛后悬簧。目前已用TimetalLCB(Ti-6.8Mo-4.5Fe-1.5Al,一种低成本β-钛合金)代替Ti-6Al-4V。这种钛合金的切变模量甚至比标准的α-β钛合金Ti-6Al-4V还低,在性能上具有优势,且熔炼合金时使用钼铁合金代替昂贵的钒,降低了合金的成本。

4、底盘

钛在底盘中除用作后桥的螺旋弹簧之外,大众从1998年开始,将汽车制动器摩擦衬片连接突缘内的密封垫圈由铝改用钛制造。选用I级化学纯钛以保证拧紧螺帽实现气密连接时垫圈有足够的变形余地。采用Ⅰ级纯钛的另一个原因是它抗腐蚀。梅赛德斯·奔驰公司1998年则在制动器导向销上使用了Ⅱ级化学纯钛,保证了汽车使用年限的延长。还有人推荐用Ⅳ级化学纯钛(即工业纯钛,美国根据其ASTM标准按其氧、氮、氢、碳、硅和铁等杂质含量的多寡分为Ⅰ-Ⅳ4个级别,Ⅰ级质量最佳)制造抗蚀、质量轻、热导率低的制动器衬套顶板。

在底盘上使用钛,除减轻质量外,直接导致车在行进中更令人舒适,因为质量轻更易于吸收路面不平坦造成的颠簸。

另外,一些锻造零件如转向节、车轮托架、悬架臂和轮毂等也以用Ti-6Al-4V和Ti-6222为宜。但钛材的锻造目前仍十分困难。