Ti-6Al-4V鈦合金材料在汽車零部件中的應用

1、汽車發(fā)動機

動力傳動裝置的核心是內(nèi)燃發(fā)動機。內(nèi)燃機往復運動式零件和轉動式零件的質(zhì)量嚴重地影響燃油是否節(jié)約。發(fā)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(zhì)量的減輕,結合以質(zhì)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(fā)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(fā)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(chǎn)成本相對不高的金屬間化合物γ-TiAl。對更高速度的發(fā)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(zhì)量,還可將發(fā)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(fā)動機氣門。豐田采用粉末冶金技術用Ti-6Al-4V/TiB2粉(Ti-6Al-4V內(nèi)混入5%TiB2。TiB2起顆粒增強作用,不但提高了材質(zhì)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(fā)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(jù)減輕的質(zhì)量縮減氣門彈簧尺寸。

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

2、排氣系統(tǒng)

主要由排氣管和排氣消音器形成的排氣系統(tǒng)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(fā)動機(Motocross)的排氣系統(tǒng)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(tǒng)成為最先投入批量生產(chǎn)的鈦排氣系統(tǒng)。美國通用汽車公司在其生產(chǎn)的ChevroletCorvetteZ06運動車的排放系統(tǒng)組件上全部用2級鈦制造,質(zhì)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(yōu)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(nèi)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(xiàn)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(yè)純鈦,美國根據(jù)其ASTM標準按其氧、氮、氫、碳、硅和鐵等雜質(zhì)含量的多寡分為Ⅰ-Ⅳ4個級別,Ⅰ級質(zhì)量最佳)制造抗蝕、質(zhì)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(zhì)量外,直接導致車在行進中更令人舒適,因為質(zhì)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(jié)、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。