钛是一种新金属，，，，，它具有密度小、比强度高、耐蚀性好，，，，，加工性及焊接性好的优点，，，，，还具有较好的耐热性和耐低温性能，，，，，被普遍地应用于航空航天、石化、冶金、电力、轻工及舰船等各个领域，，，，，在汽车工业中也获得了一定的应用。。。。。。可是由于钛合金价钱腾贵，，，，，在一样平常民用品上的应用还很少，，，，，钛合金在汽车工业中的应用也大多在豪华车型和跑车上，，，，，现在的赛车险些都使用了钛材。。。。。。展望未来汽车工业的生长偏向，，，，，轻量化、油耗低及排放少是生长的主题。。。。。。只管现在高强度薄钢板、铝材、镁材、金属基复合质料及塑料树脂类质料在减轻汽车整备质量方面已经施展了作用，，，，，随着工业水平的生长及天下对环保节能要求的日益提高，，，，，钛合金在通俗家用汽车上的使用也会获得快速生长。。。。。。

一、钛合金在汽车工业的应用现状

虽然钛元素早在18世纪末即被英国和德国的科学家发明，，，，，可是直到20世纪初美国的科学家才提取出了纯钛，，，，，钛的工业化规模生产已经是1948年的事情了，，，，，钛工业的生长是陪同着航空航天工业的生长而生长起来的新兴工业。。。。。。只管钛合金在在航空航天、石油化工、舰船工业上的应用已很普遍，，，，，可是在汽车工业中的应用却生长缓慢。。。。。。从1956年美国通用公司研制乐成第一辆全钛汽车最先，，，，，直到20世纪80年月，，，，，钛制汽车零部件才抵达批量生产，，，，，90年月随着豪华汽车、跑车、赛车需求量的逐年增添，，，，，钛制零部件才获得了加速生长。。。。。。

钛材作为汽车部件质料使用的优点有：强度高、密度小、弹性模量约是钢的一半，，，，，热膨胀系数低，，，，，约是不锈钢及铝材的一半，，，，，无磁性、热导率低、对情形无污染等。。。。。。另外在汽车行业用钛后，，，，，可极大减轻汽车整备质量，，，，，降低其燃料消耗，，，，，提高汽车事情效率，，，，，降低噪声。。。。。。最常见的是使用钛合金制造发念头零件，，，，，有许多利益：钛合金的密度低，，，，，可以降低运动零件的惯性子量；；；；；；；同时钛气门弹簧可以增添自由振动，，，，，削弱车身的振颤，，，，，提高发念头的转速及输出功率；；；；；；；减小运动零件的惯性子量，，，，，从而使摩擦力减小，，，，，提高发念头的燃油效率。。。。。。选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力，，，，，缩小零件的尺寸，，，，，从而使发念头及整车的质量减轻。。。。。。零部件惯性子量的降低，，，，，使得振动和噪声削弱，，，，，改善发念头的性能。。。。。。综合起来，，，，，钛合金在汽车产品上的用途主要分为两大类，，，，，第一类是镌汰原有零件的质量，，，，，涉及零件主要有发念头的高速往复运动件和汽车自重。。。。。。第二类是用来制作耐侵蚀件，，，，，主要包括排气系统，，，，，底盘零件，，，，，悬架系统等所处情形卑劣的汽车零部件，，，，，可提高汽车零件的使用寿命。。。。。。

随着社会生长，，，，，节能环保是产品生长主体，，，，，汽车“轻量化”是汽车行业一项很是主要直接的节能减排步伐，，，，，现在已成为行业的共识。。。。。。研究批注，，，，，汽车所用燃料约60%消耗于汽车自重，，，，，汽车每减轻10%的整备质量，，，，，废气排放量可镌汰10%，，，，，可降低油耗7%。。。。。。1956年，，，，，通用汽车公司（GM）和其供货商装配了一种展览用的小汽车，，，，，其车体是全钛；；；；；；；日本本田汽车公司1994年在NSX赛车3.0L24阀V-6发念头中使用铸造钛连杆；；；；；；；三菱汽车公司制造的高容量、四缸发念头中使用了钛气门弹簧座；；；；；；；保时捷汽车中也使用了钛连杆。。。。。。随着钛的日益生长，，，，，在汽车上的特殊用途已大宗应用到高级车零部件上（见表1）。。。。。。

现在常用的钛合金零部件较量多，，，，，主要对以下几种详细先容。。。。。。

表1 钛制汽车标准部件的应用状态

1、发念头连杆

连杆毗连活塞与曲轴，，，，，起着转达动力的作用，，，，，遭受着很大的攻击力，，，，，因此连杆必需有足够的强度，，，，，并且质量要尽可能轻，，，，，以提高发念头的转速。。。。。。连杆毗连活塞与曲轴，，，，，将活塞的动力转达到曲轴，，，，，因遭受很大的攻击力，，，，，故必需强度大且不易变形。。。。。。别的，，，，，连杆也必需质轻，，，，，以镌汰惯性损失，，，，，提升发念头最高转速。。。。。。钛合金是理想的连杆用质料。。。。。。

钛合金连杆常用的质料为Ti-6Al-4V钛合金，，，，，Ti-6Al-4V钛合金于1954年在美国研究乐成，，，，，首先用于航空航天业，，，，，它具有优异的强韧性、优良的加工性和耐侵蚀性。。。。。。1987年本田公司的VFR750R型车最先接纳Ti-6Al-4V钛合金连杆举行批量生产和销售，，，，，但Ti-6Al-4V钛合金价钱较腾贵，，，，，对其推广使用有一定的难度。。。。。。后研发出Ti-3Al-2.0V钛合金连杆，，，，，用在了Accura NSX 3.0升V6 发念头上，，，，，与镍铬钢连杆较量，，，，，Ti-3Al-2.0V钛合金连杆可节约30﹪的质量且有相等的疲劳强度。。。。。。Ti-3A-2.0V 价钱较Ti-6Al-4V 自制，，，，，Ti-6Al-4V 与Ti-3Al-2.0V有相同的Al/V 比，，，，，故能由接纳的Ti-6Al-4V 中制造Ti-3Al-2.0V，，，，，且因质量减轻，，，，，惯性损失少，，，，，故发念头最高转速可增添700rpm。。。。。。

Ti-62S钛合是金钛金属公司（TIMET）研发的Ti-6Al-4V的替换钛合金。。。。。。Ti-62S（Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si）性能靠近于Ti-6Al-4V，，，，，添加Si 可增增强度；；；；；；；添加铁可降低质料本钱，，，，，亦能增进晶粒细化，，，，，进而提高强度，，，，，同时改善加工性；；；；；；；添加O₂可强化钛合金。。。。。。由于生产本钱较低，，，，，因此价钱较Ti-6Al-4V 自制10%～20%。。。。。。

钛合金连杆的制造法一样平常为铸造法，，，，，但因铸造质料步留率低、切削性较易切钢差及铸造物需要酸洗除去表层之氧化物的关系，，，，，导致加工本钱很高。。。。。。以是现在钛合金连杆的制造趋势朝向净型铸造法及粉末冶金制造法。。。。。。这两种要领所获得的工件在疲劳性子上已有主要的改善。。。。。。

2、气门

进气门（Intake Valve）事情温度约300～400℃，，，，，排气门（Exhaust Valve）事情温度约600～800℃，，，，，因质料需具有抗热性，，，，，尤其是在高温下，，，，，必需坚持其强度、硬度而不烧蚀。。。。。。以是具有高温耐氧化性及耐高温潜变的钛合金是合适的质料。。。。。。就现在的应用而言，，，，，进气门的质料以Ti-6Al-4V 为主，，，，，排气门的质料以Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si（Ti-6242S）为主，，，，，Sn和Al通常一起添加，，，，，可以获得较低的脆性和较高的强度。。。。。。添加Mo可增添钛合金的热处置惩罚性能，，，，，增添淬火钛合金的强度，，，，，同时增添硬度。。。。。。由于形状简朴和小巧，，，，，以是机械加工是容易制造的，，，，，本钱也自制。。。。。。纷歧定需要举行特殊的外貌处置惩罚，，，，，和钢制的气门座相比，，，，，能减轻10～12g。。。。。。

福特汽车（Ford）的一项研究报告指出，，，，，在一个四缸八气门、1.9 L的发念头中使用钛合金气门，，，，，气门质量可镌汰原钢气门质量的48﹪；；；；；；；发念头气门振动的临界转速可提高650r/min；；；；；；；气门弹簧负荷镌汰约30%；；；；；；；因气门机构摩擦损失镌汰，，，，，在油耗体现上，，，，，平均每升汽油可增添4.3km的里程数。。。。。。其他具有生长潜力的合金有：

1）进气门可接纳Ti-62S，，，，，其特征相当于Ti-6Al-4V，，，，，且价钱较自制。。。。。。

2）排气门可接纳Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si（Ti-1100），，，，，由于Mo含量较低，，，，，故其耐潜变对抗性较Ti-6242S 优，，，，，耐氧化温度可达600℃（1100°F）。。。。。。此合金正由美国赛车零件制造商评估中，，，，，应用性指日可待。。。。。。

3）排气门可接纳γ- TiAl。。。。。。 γ- TiAl 具有耐高温及质量轻的特点，，，，，但不适合以古板的铸造法加工，，，，，仅适合使用铸造法与粉末冶金法加工。。。。。。当制造要领越发成熟后，，，，，其价钱也许会较现在普遍使用的镍基超合金排气门自制。。。。。。

3、气门弹簧座

气门弹簧座必需具备高强度及耐疲劳性，，，，，关于耐高温的要求不像气门那么高。。。。。。β钛合金为热处置惩罚型合金，，，，，能依固溶时效处置惩罚来获得很高的强度，，，，，以是Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si 是合适的质料。。。。。。三菱汽车（Mitsubishi）在其量产汽车上使用Ti-22V-4Al 钛合金气门弹簧座。。。。。。质量较原钢制锁扣减轻了42%，，，，，气门机构惯性子量镌汰6%，，，，，发念头最大转速增添300r/min。。。。。。

4、气门弹簧

气门弹簧的作用是使气门能确实的关闭，，，，，尤其是发念头在高速运转时，，，，，气门弹簧因运动速率加速，，，，，易引起弹簧之谐振而导致气门开闭不确实，，，，，影响发念头性能，，，，，故气门的质料须具备质轻、强度大及耐疲劳的特征。。。。。。钛合金质量轻、比强度大及剪力模数低，，，，，是弹簧的理想质料。。。。。。圆筒圈状压缩弹簧负荷与变形量之关系式如下：

δ=（8ND3／Gd4） P

式中δ为弹簧变形量，，，，，D为弹簧直径，，，，，d为线径，，，，，G为剪力模数，，，，，P为弹簧负荷，，，，，N为弹簧圈数。。。。。。

因钛合金的剪力模数G 较小会使弹簧在受负荷时变形量增添，，，，，为了阻止这种情形，，，，，可使弹簧在设计时有较少的圈数及缩小弹簧直径，，，，，云云不但可镌汰弹簧的变形量，，，，，并且尺寸巨细仅是钢弹簧的一半，，，，，弹簧质量仅为钢弹簧的一半。。。。。。弹簧质量一减轻，，，，，便可提高共振频率，，，，，提高发念头气门弹簧谐振的临界转速，，，，，增添发念头高速运转之效率。。。。。。对汽车设计者而言，，，，，钛合金弹簧尺寸较小，，，，，在空间的应用上会更无邪。。。。。。

β钛合金因具有高强度及优异的冷加工成型性，，，，，以是是气门弹簧的优良质料。。。。。。一样平常在商业上使用最多的β钛合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Ti-38644）。。。。。。

5、涡轮增压器

使用涡轮增压器可以改善发念头的燃烧效率并增进发念头功率及扭力。。。。。。然而，，，，，涡轮增压器的轮机转子（turbine wheel）恒久袒露在850℃以上的高温废气中，，，，，故具备耐热性是很主要的条件。。。。。。古板的轻金属，，，，，如铝合金或镍基合金，，，，，因其溶点较低，，，，，无法使用。。。。。。虽然陶瓷质料质量轻且耐高温性佳而被应用在轮机转子上，，，，，但由于本钱高及形状上无法最佳化而使得应用上受到限制。。。。。。因此Tetsui 等人生长了TiAl 轮机转子，，，，，经由了多次的发念头试验，，，，，不但其耐久性及效能已受到证实，，，，，并且也可以改善发念头加速性及镌汰废气中的有害物质。。。。。。此项设计已乐成的商业化应用在Mitsubishi LancerEvolution 系列车款上。。。。。。

6、排气系统

钛合金由于具有优异的耐蚀性，，，，，故很适合做为排气管（含消声器）的质料。。。。。。因耐蚀性佳，，，，，故排气管的管壁可以作得较薄，，，，，约1mm 厚，，，，，以是钛排气管与不锈钢排气管较量起来，，，，，可减轻约60%的质量，，，，，例如409 不锈钢排气管重达10kg，，，，，但钛排气管质量只有3.2kg。。。。。。商业用纯钛（CP）是排气管的理想质料，，，，，ASTM Grade 2之纯钛（如Timetal50A）在取得性、制造性、焊接性与机械性子上是很合适的质料。。。。。。纯钛可于冷温下成型，，，，，以是钛排气管适合于在室温下成型，，，，，且其成型的装备与手艺皆和钢排气管相同，，，，，这使得钛排气管在制程上的本钱并不会增添。。。。。。钛排气管的制程是使用缝焊与电阻焊将膨胀箱（expansion box）焊合，，，，，然后再使用惰气金属极电弧焊（gas metal arc welding , GMAW）或惰气钨极电弧焊（gas tungsten arc welding , GTAW）将排气管与膨胀箱焊接起来。。。。。。

7、其他钛合金部件

钛合金在车辆中普遍应用，，，，，能大大消减整车质量和提高耐用性，，，，，发念头元件，，，，，驱动齿轮系零件、悬挂系统和结构件、车体框架等来讲都可用钛合金取代钢。。。。。。如发念头摇臂、紧固件、车挡支架、制动器卡钳活塞、销轴栓、离合器圆板、压力板、控制杆、从动轴、阀弹簧和紧固件等。。。。。。

二、钛合金零部件的优越性

钛合金具有质轻、比强度高及耐蚀性好等优点，，，，，在汽车工业中获得了普遍的应用，，，，，应用最多的是发念头系统。。。。。。钛合金零部件的应用可減少发念头振动与噪声，，，，，提高曲轴转动速率，，，，，镌汰曲轴应力，，，，，获得较高的发念头扭力，，，，，可提高发念头气门振动的临界转速，，，，，可镌汰弹簧负荷，，，，，镌汰气门机构磨损及降低燃油消耗。。。。。。

在汽车的消声器设计、制造及应用是合适的，，，，，一方面使用钛合金室温下的高加工性，，，，，同时也提高应用高温强度、高耐氧化性及耐蠕变性。。。。。。钛合金在其他部件上的应用可提高职员的恬静度和汽车的雅观等。。。。。。另外钛合金在汽车节能降耗方面起到了不可估量的作用。。。。。。

结语

钛合金应用在汽车上已经有优异的效果，，，，，但现在多应用于赛车及跑车上。。。。。。价钱腾贵与制造本钱高是钛合金不可普遍应用在家庭房车的基础缘故原由。。。。。。以是，，，，，低价钛合金的开发是钛合金适用化的主要要害，，，，，以下几点是以后钛合金零部件开发应用的偏向：

1）以低价钱的添加元素取代钛合金中主要的添加元素如V、Mo 及Nb 等高价元素。。。。。。

2）开发易切削之钛合金。。。。。。

3）改善制造钛粉末的要领。。。。。。

4）使用一连铸造法生产小直径钛棒或平板，，，，，可镌汰人力及能源的运用，，，，，降低本钱。。。。。。

5）接纳近净型（near net）铸造手艺或近净型粉末冶金制程开发低价钛合金。。。。。。

我国正在鼎力大举开展汽车用钛的推广事情。。。。。。逐渐将钛与汽车联系起来，，，，，以增进钛在汽车方面的应用。。。。。。而汽车用钛研究事情则一直在睁开，，，，，如粉末冶金钛和TiAl的研究。。。。。。钛合金价钱腾贵主要是受制于现在的冶炼加工手艺，，，，，而钛在地壳中的半富水平仅次于铝、铁、镁，，，，，排第4位。。。。。。由于钛合金工业一直的在民用产品上的开发应用，，，，，钛合金的产量也逐年增添，，，，，对钛合金手艺的研发也必将获得进一步增强，，，，，钛冶炼及加工本钱的降低也是一定趋势。。。。。。由于钛合金在实现汽车轻量化、低燃油消耗率及高性能上的体现，，，，，全球规模内节能减排的要求、新能源汽车篷勃生长，，，，，简化制造工艺内在降低本钱，，，，，是未来汽车生长趋势，，，，，以是钛合金必将在汽车工业中占有主要的职位，，，，，获得普遍应用。。。。。。钛合金部件在通俗家用汽车上的应用在不久的未来必将获得普遍应用。。。。。。

参考文献

[1] 李修明，，，，，赵成龙，，，，，齐萌蒙．面向数字化工厂建设的数据应用研究[J]．数字手艺与应用，，，，，2020（5） : 70－73．

[2] 刘亮.数字化工厂的实现方法与应用剖析[J].谋划者，，，，，2019（4）：123-125.

[3] 田建忠.数字化工厂应用现状与远景展望[J].立异科技，，，，，2017（5）：36-38.

相关链接