前言

鈦合金以其比強(qiáng)度高、耐腐蝕能力強(qiáng)以及耐熱耐冷性能好等特點(diǎn)被人們譽(yù)為“魔力”金屬或“神奇”金屬，先后在航空航天、海洋發(fā)電以及化工冶金等方面得到應(yīng)用。目前，隨著汽油價(jià)格的不斷攀升，以及人們對(duì)高性能轎車的日益需求，將鈦合金應(yīng)用于汽車工業(yè)以減輕車重和提高性能已逐漸為汽車制造廠商所認(rèn)同。其實(shí)，早在1956年美國(guó)通用汽車公司已研制出了一種全鈦汽車(名為“火鳥(niǎo)”)[1]，只不過(guò)由于其造價(jià)昂貴，后來(lái)僅在賽車上保留了應(yīng)用。如今隨著低成本鈦合金的不斷研制以及其制備工藝的不斷創(chuàng)新，將鈦合金應(yīng)用于普通汽車又嶄露鋒芒。2001年大眾汽車公司首次在LupoFSI普通轎車上標(biāo)配了鈦合金彈簧，使得汽車減重82kg，同鋼彈簧相比，減重60％~70％，彈簧高度降低40％[2]。本文首先簡(jiǎn)述了鈦合金的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)其在汽車零件上應(yīng)用的必要性及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析評(píng)述，在此基礎(chǔ)上展望了車用鈦合金的研發(fā)趨勢(shì)。

1、鈦及鈦合金的研究現(xiàn)狀

鈦及鈦合金在汽車工業(yè)上應(yīng)用的最大問(wèn)題是其高昂的價(jià)格。表1列出了目前鈦合金同其它車用合金的價(jià)格對(duì)比。可以看出，無(wú)論是在金屬的冶煉還是后續(xù)的加工，鈦合金的價(jià)格都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它金屬。但是，如果考慮到鈦合金的比強(qiáng)度、比疲勞性能(見(jiàn)表2)以及其優(yōu)異的耐腐蝕性能，鈦合金的優(yōu)勢(shì)仍無(wú)法被其它材料所替代。美國(guó)福特汽車公司已經(jīng)確立了車用鈦合金的價(jià)格目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)部件在13美元／kg~20美元／kg，其它重要部件不超過(guò)8.9美元／kg。如果鈦合金的價(jià)格可以降到4.4美元／kg，也就是海綿鈦的價(jià)格，將會(huì)獲得更為廣泛的應(yīng)用[4]。

實(shí)際上，這一價(jià)格要求目前正在被逐步實(shí)現(xiàn)。首先是在海綿鈦的制備工藝方面已有所突破。英國(guó)劍橋大學(xué)目前正在研制的電化學(xué)法(FFC方法)提煉海綿鈦[5]，原理見(jiàn)圖1，同傳統(tǒng)的Kroll或Hunter方法相比，不僅工藝大大簡(jiǎn)化，并且，還可以同時(shí)提純其它合金元素的氧化物(如Al₂O₃、V₂O₅等)，從而可以直接制備出鈦合金來(lái)，這樣，鈦合金的制備成本將顯著降低。美國(guó)政府的DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)部門已出資1.23千萬(wàn)美元計(jì)劃在未來(lái)的4年內(nèi)將這一技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)工廠，因此低成本的海綿鈦及鈦合金指日可待。其次在合金制備以及加工工藝方面，利用近凈成型技術(shù)(NNS)以及粉末冶金技術(shù)(P／M)來(lái)制備鈦合金零件，降低其制作成本，也取得了令人矚目的成績(jī)。圖2示意的說(shuō)明了利用粉末冶金技術(shù)制備車用鈦合金零件的過(guò)程。由粉末開(kāi)始，通過(guò)混合、冷等靜壓、燒結(jié)以及最后的熱等靜壓、鍛造或擠壓來(lái)成型。同傳統(tǒng)的制備工藝相比，工序簡(jiǎn)單，且原材料消耗也大為降低，成本明顯下降。但是，由于這種鈦合金是通過(guò)粉末燒結(jié)形成的，因此在合金的性能方面自然就不如傳統(tǒng)的鍛造鈦合金。

盡管最后通過(guò)鍛造或擠壓變形能夠使性能有所提高，但原有的低成本優(yōu)勢(shì)將大打折扣，并且，制粉所附加的額外費(fèi)用將導(dǎo)致其成本可能超過(guò)了傳統(tǒng)的制備方法。因此，這一制備技術(shù)目前還處在關(guān)注之中。最后在傳統(tǒng)的鈦合金制備方面，通過(guò)使用廉價(jià)的母合金來(lái)取代昂貴的合金化元素以達(dá)到降低鈦合金的成本，也取得了可喜的進(jìn)展。如美國(guó)TIMETAL公司研制的TimetalLCB鈦合金，就是利用低廉的Fe.Mo中間合金來(lái)取代昂貴的V、Zr、Nb等合金元素使鈦合金的價(jià)格降低。這一方法目前來(lái)說(shuō)是最有基礎(chǔ)也是最可行的方法，已被用于汽車零件的生產(chǎn)。

3、車用鈦合金零件應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

目前，車用鈦合金主要用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如連桿、凸輪軸、進(jìn)氣／排氣閥、氣門彈簧，以及一些重要的輔助零件，如排氣管、消音器、懸掛彈簧以及密封零件等。圖3示意的說(shuō)明了鈦合金在汽車中潛在的應(yīng)用部位[6]。

表3列出了車用鈦合金的牌號(hào)及對(duì)應(yīng)的零件。

可以看出，所選的鈦合金種類基本為工業(yè)純鈦以及常用的Ti-6Al-4V系列合金。使用工業(yè)純鈦是利用其質(zhì)量輕的前提下較好的室溫塑性和耐腐蝕性能，使用Ti-6Al-4V系合金是看重其質(zhì)量輕的前提下優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能。下面就以幾個(gè)車用部件來(lái)具體說(shuō)明鈦合金的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及存在的主要問(wèn)題。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)部件

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，連桿是目前鈦合金的主要應(yīng)用對(duì)象之一(見(jiàn)圖4)。主要使用的鈦合金有Ti-6Al-4V、Ti10V2Fe3AI(Ti-10-2-3)、Ti4AI4Mo4Sn0.5Si(Timetal550)等，目前又推出了使用TiB₂／TiC增強(qiáng)的鈦合金(Ti-MMC)來(lái)制備連桿。

用鈦合金制備連桿的優(yōu)點(diǎn)之一是質(zhì)量輕，之二是疲勞性能高。因?yàn)檫B桿的質(zhì)量愈輕，其振蕩能耗愈少、噪音愈低、震動(dòng)愈小、最大引擎速度愈高，車的油耗減少，性能提高。同時(shí)，疲勞性能高意味著使用壽命延長(zhǎng)，汽車的質(zhì)量及價(jià)格均得到提升。連桿在工作時(shí)，不僅要受到往復(fù)拉壓載荷(低周疲勞)，同時(shí)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)又受到離心力沖擊載荷(高周疲勞)，因此，既要求材料具有高的抗拉強(qiáng)度以滿足高周疲勞的需要，同時(shí)又要具有一定的塑性以滿足低周疲勞的需要。Ti-6Al-4V合金比較適合這一需要。

同其它鈦合金相比，用Ti-6Al-4V合金制備連桿的最大優(yōu)勢(shì)是其較高的強(qiáng)塑配合，不僅低周疲勞性能而且高周疲勞性能均較高。Ti10V2Fe3A1合金在保持塑性不降低的前提下提高了Ti-6Al-4V合金的抗拉強(qiáng)度，即提高了其抗沖擊載荷的能力，但由于其合金化元素較多導(dǎo)致價(jià)格較高，僅可應(yīng)用于高端車型。Ti4A14Mo4Sn0.5Si合金提高了Ti-6Al-4V合金的抗氧化能力以及抗沖擊載荷的能力，但由于其塑性相對(duì)不足，使連桿較易沿徑向出現(xiàn)裂紋，發(fā)生低周疲勞破壞。不過(guò)，上述這些材料有一個(gè)共同的缺點(diǎn)就是耐磨性能差以及剛度較低，盡管通過(guò)表面改性以及設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)提高耐磨性和提高剛度，但效果并不突出，而且還增加了加工成本。TiB₂/TiC增強(qiáng)型鈦合金正是在這一背景下運(yùn)用而生，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1700MPa以上，不僅提高了耐磨性能，而且合金的剛度也得到大幅提高。但是，由于其塑性較低，抗低周疲勞破壞的能力較差，并且成本較高，因此在普通汽車上的應(yīng)用還有待研究。

氣閥是另一個(gè)比較熱門的鈦合金應(yīng)用對(duì)象。由于氣閥(特別是排氣閥)的工作溫度較高，約900℃，因此，使用常規(guī)的Ti-6Al-4V合金以及TiB₂/TiC增強(qiáng)的鈦合金均不能滿足抗氧化性能以及抗蠕變性能的要求。γ-TiA1合金具有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，已被用來(lái)制備賽車氣閥，但是，由于γ-TiA1的室溫塑性平均不超過(guò)1％，使用時(shí)的安全系數(shù)太小，并且，由于其制備成本較高，組織控制困難以及性能不穩(wěn)定，因此，γ-TiA1距離轎車應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路。

3.2排氣系統(tǒng)

鈦合金在汽車上的另一個(gè)應(yīng)用就是排氣系統(tǒng)。

以前使用的材料為不銹鋼，顯然質(zhì)量較鈦合金為高。表4為兩種材料在排氣系統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)比。可以看出使用鈦合金可以明顯減輕汽車質(zhì)量。除此以外，由于鈦合金的焊接性能好，不像不銹鋼那樣容易從焊縫開(kāi)裂，因此，鈦合金排氣閥的使用壽命較長(zhǎng)，為12年～14年，而不銹鋼一般不到7年就得更換，從而有效節(jié)約了費(fèi)用。目前，出于減輕質(zhì)量以及便于加工的原因，使用塑性好的商業(yè)純鈦來(lái)制備排氣系統(tǒng)部件。但是，由于尾氣溫度較高，純鈦的耐高溫氧化性能不如不銹鋼，因此被應(yīng)用于排氣系統(tǒng)的后端而不是全部部件，這樣其減重效果大打折扣。如何開(kāi)發(fā)室溫塑性好且高溫抗氧化能力強(qiáng)的鈦合金，以及如何通過(guò)表面改性和涂層處理來(lái)提高其表面抗氧化水平均屬目前的研究問(wèn)題。

3.3車用彈簧

鈦合金在汽車上最理想、也是目前最成功的應(yīng)用環(huán)節(jié)應(yīng)該是用來(lái)制造彈簧。鈦合金幾乎所有的特點(diǎn)都在制備彈簧過(guò)程中得到了應(yīng)用，并且還達(dá)到了鋼鐵材料難以達(dá)到的性能指標(biāo)，使其成為最佳的彈簧材料候選。

用鈦合金制備轎車彈簧具有一系列優(yōu)點(diǎn)：首先從其彈性性能上說(shuō)，由于鈦合金的彈性極限(σe)高而彈性模量(E)低，其彈性應(yīng)變能σ²_e/2E非常高，是鋼彈簧的10倍以上，因此，使用鈦合金彈簧將明顯提高乘車舒適度；其次，從使用壽命上說(shuō)，由于鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限，可以滿足彎曲疲勞強(qiáng)度大于800Mpa的要求，其卷簧所需材料的質(zhì)量減少且壽命延長(zhǎng)。同時(shí)，鈦合金的抗腐蝕能力強(qiáng)，無(wú)需額外的表面防銹處理，因此，鈦彈簧的使用壽命比汽車本身的壽命還長(zhǎng)，無(wú)需中間更換；再次，從加工角度來(lái)說(shuō)，由于制備彈簧的鈦合金為鈦合金，其在淬火狀態(tài)下強(qiáng)度很低，非常有利于冷拔拉絲，可以利用鋼絲的設(shè)備進(jìn)行加工，然后通過(guò)時(shí)效處理提高強(qiáng)度，因此生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單；最后，從油耗方面來(lái)說(shuō)，由于鈦合金的密度小，鈦彈簧的質(zhì)量?jī)H有鋼彈簧的一半多，見(jiàn)圖5，因此省油效果明顯。

并且，在相同的彈性功前提下，鈦彈簧的高度僅為鋼彈簧的40％，便于車體設(shè)計(jì)。因此，用鈦合金制作車用彈簧被認(rèn)為是最理想的材料，唯一不足就是價(jià)格問(wèn)題。

目前車用鈦合金彈簧為Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al鈦合金，是1990年由TIMET公司發(fā)明的，牌號(hào)為TimetalLCB(LowCostBetaTitanium)。此合金是

在航空用鈦合金彈簧Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(牌號(hào)為BetaC)的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用了大量的Fe-Mo中間合金改良而來(lái)，目的是保證性能基本相當(dāng)?shù)那闆r下降低成本。盡管其成本較BetaC有了一定程度的下降，但由于Fe-Mo中間合金的價(jià)格并不低，因此仍然高于現(xiàn)有的工業(yè)純鈦的水平，還有進(jìn)一步降價(jià)的空間。

4、車用鈦合金的研發(fā)趨勢(shì)

總的來(lái)看，盡管鈦合金相比其它車用材料具有較大的性能優(yōu)勢(shì)，但是其昂貴的價(jià)格仍然是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要障礙。但是，這并不是說(shuō)，鈦合金不能應(yīng)用于汽車行業(yè)。如果使用鈦合金所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益能夠抵消其高昂的價(jià)格，以及使用鈦合金可以滿足某些先進(jìn)技術(shù)的需要，那么使用鈦合金也不是不可以的事情。在上述的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)以及彈簧等部件中，均有鈦合金存在的必然之處，同時(shí)也有一些不足之處，正因?yàn)槿绱耍芯坎粦?yīng)建立在傳統(tǒng)的提高強(qiáng)塑性方面，而應(yīng)該更多的從汽車零件的服役條件出發(fā)，有針對(duì)性的選擇和開(kāi)發(fā)一些具有特色性能的鈦合金。比如連桿，可以通過(guò)纖維增強(qiáng)Ti-6Al-4V合金來(lái)達(dá)到強(qiáng)塑配合不變的情況下提高其耐磨性及剛度不足等問(wèn)題，也可以通過(guò)鈦合金析出強(qiáng)化的特點(diǎn)，在連桿的大端和小端利用時(shí)效強(qiáng)化析出細(xì)小的6c相來(lái)滿足高強(qiáng)度高周疲勞的需要，而桿身部位則利用析出尺寸較大的6c相達(dá)到高的強(qiáng)塑 配合以滿足低周疲勞性能的需要等等。因此研發(fā)前景大有可為。

參考文獻(xiàn)

[1] C萊 茵斯，M皮 特爾 斯編，陳 振華譯 ．鈦與鈦 合金[M ]．北京 ：化學(xué)工 業(yè)出版社，2005：350

[2] 高敬 ．稀 有金屬快 報(bào)[J]，200 1，16(5)：13

[3] Failer K ，F(xiàn)roes F H ．JO M [JI，2001，(4)：27

[4] H artm an A D ，G erdem ann S J，H ansen J S．JO M [JI，1 998，91 6

[5] C hen G Z ，F(xiàn)ray D J，F(xiàn)arthing T W N ature[J]，2000，407：36 l

[6] Friedrich H et a1．T itanium in A utom otive A pplications-nightm are，V ision or R eality [M ]．W einheim ：TM S，2003：33 9 3