钛是一种新金属，它拥有密度幼、比强度高、耐蚀性好，加工性及焊接性好的利益，还拥有较好的耐热性和耐低温机能，被宽泛地利用于航空航天、石化、冶金、电力、轻工及舰船等各个领域，在汽车工业中也得到了肯定的利用 。但是由于钛合金价值昂贵，在通常民用品上的利用还很少，钛合金在汽车工业中的利用也大多在豪华车型和跑车上，目前的赛车险些都使用了钛材 。瞻望未来汽车工业的发展方向，轻量化、油耗低及排放少是发展的主题 。只管目前高强度薄钢板、铝材、镁材、金属基复合伙料及塑料树脂类资料在减轻汽车整备质量方面已经阐扬了作用，随着工业水平的发展及世界对环保节能要求的日益提高，钛合金在通常家用汽车上的使用也会得到急剧发展 。
一、钛合金在汽车工业的利用近况
固然钛元素早在18世纪末即被英国和德国的科学家发现，但是直到20世纪初美国的科学家才提取出了纯钛，钛的工业化规模出产已经是1948年的事件了，钛工业的发展是陪伴着航空航天工业的发展而发展起来的新兴产业 。只管钛合金在在航空航天、石油化工、舰船工业上的利用已很宽泛，但是在汽车工业中的利用却发展缓慢 。从1956年美国通用公司研造成功第一辆全钛汽车起头，直到20世纪80年代，钛造汽车零部件才达到批量出产，90年代随着豪华汽车、跑车、赛车需要量的逐年增长，钛造零部件才得到了加快发展 。
钛材作为汽车部件资料使用的利益有：强度高、密度幼、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、对环境无传染等 。另表在汽车行业用钛后，可极大减轻汽车整备质量，降低其燃料亏损，提高汽车工作效能，降低噪声 。最常见的是利用钛合金造作发起机零件，有好多益处：钛合金的密度低，能够降低活动零件的惯性质量；同时钛气门弹簧能够增长自由振动，减弱车身的振颤，提高发起机的转速及输出功率；减幼活动零件的惯性质量，从而使摩擦力减幼，提高发起机的燃油效能 。选择钛合金能够减轻有关零件的负载应力，缩幼零件的尺寸，从而使发起机及整车的质量减轻 。零部件惯性质量的降低，使得振动和噪声减弱，改善发起机的机能 。综合起来，钛合金在汽车产品上的用处重要分为两大类，第一类是削减原有零件的质量，涉及零件重要有发起机的高速往复活动件和汽车自沉 。第二类是用来造作耐侵蚀件，重要蕴含排气系统，底盘零件，悬架系统等所处环境恶劣的汽车零部件，可提高汽车零件的使用寿命 。
随着社会发展，节能环保是产品发展主体，汽车“轻量化”是汽车行业一项极度沉要直接的节能减排措施，目前已成为行业的共识 。钻研批注，汽车所用燃料约60%亏损于汽车自沉，汽车每减轻10%的整备质量，废气排放量可削减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幼汽车，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发起机中使用铸造钛连杆；三菱汽车公司造作的高容量、四缸发起机中使用了钛气门弹簧座；保时捷汽车中也使用了钛连杆 。随着钛的日益发展，在汽车上的特殊用处已大量利用到高级车零部件上（见表1） 。
目前常用迪胙合金零部件比力多，重要对以下几种具体介绍 。
表1 钛造汽车尺度部件的利用情况
1、发起机连杆
连杆衔接活塞与曲轴，起着传递动力的作用，接受着很大的冲击力，因而连杆必须有足够的强度，并且质量要尽可能轻，以提高发起机的转速 。连杆衔接活塞与曲轴，将活塞的动力传递到曲轴，因接受很大的冲击力，故必须强度大且不易变形 。此表，连杆也必须质轻，以削减惯性损失，提升发起机最高转速 。钛合金是梦想的连杆用资料 。
钛合金连杆常用的资料为Ti-6Al-4V钛合金，Ti-6Al-4V钛合金于1954年在美国钻研成功，首吓酌于航空航天业，它拥有优良的强韧性、良好的加工性和耐侵蚀性 。1987年本田公司的VFR750R型车最先选取Ti-6Al-4V钛合金连杆进行批量出产和销售，但Ti-6Al-4V钛合金价值较昂贵，对其推广使用有肯定的难度 。后研发出Ti-3Al-2.0V钛合金连杆，用在了Accura NSX 3.0升V6 发起机上，与镍铬钢连杆比力，Ti-3Al-2.0V钛合金连杆可节俭30﹪的质量且有相称的委顿强度 。Ti-3A-2.0V 价值较Ti-6Al-4V 便宜，Ti-6Al-4V 与Ti-3Al-2.0V有一样的Al/V 比，故能由回收的Ti-6Al-4V 中造作Ti-3Al-2.0V，且因质量减轻，惯性损失少，故发起机最高转速可增长700rpm 。
Ti-62S钛合是金钛金属公司（TIMET）研发的Ti-6Al-4V的代替钛合金 。Ti-62S（Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si）机能靠近于Ti-6Al-4V，增长Si 可增长强度；增长铁可降低原料成本，亦能推进晶粒细化，进而提高强度，同时改善加工性；增长O2可强化钛合金 。由于出产成本较低，因而价值较Ti-6Al-4V 便宜10%～20% 。
钛合金连杆的造作法通常为铸造法，但因铸造资料步留率低、切削性较易切钢差及铸造物必要酸洗除去表层之氧化物的关系，导致加工成本很高 。所以目枪合金连杆的造作趋向朝向净型铸造法及粉末冶金造作法 。这两种步骤所获得的工件在委顿性质上已有沉要的改善 。
2、气门
进气门（Intake Valve）工作温度约300～400℃，排气门（Exhaust Valve）工作温度约600～800℃，因资料需拥有抗热性，尤其是在高温下，必须维吃熹强度、硬度而不烧蚀 。所以拥有高温耐氧化性及耐高温潜变迪胙合金是相宜的资料 。就目前的利用而言，进气门的资料以Ti-6Al-4V 为主，排气门的资料以Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si（Ti-6242S）为主，Sn和Al通常一路增长，能够得到较低的脆性和较高的强度 。增长Mo可增长钛合金的热处置机能，增长淬火钛合金的强度，同时增长硬度 。由于状态单一和幼巧，所以机械加工是容易造作的，成本也便宜 。不愿定必要进行特殊的表表处置，和钢造的气门座相比，能减轻10～12g 。
福特汽车（Ford）的一项钻研汇报指出，在一个四缸八气门、1.9 L的发起机中使用钛合金气门，气门质量可削减原冈禅门质量的48﹪；发起机气门振动的临界转速可提高650r/min；气门弹簧负荷削减约30%；因气门机构摩擦损失削减，在油耗阐发上，均匀每升汽油可增长4.3km的里程数 。其他拥有发展潜力的合金有：
1）进气门可选取Ti-62S，其个性相当于Ti-6Al-4V，且价值较便宜 。
2）排气门可选取Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si（Ti-1100），由于Mo含量较低，故其耐潜变抵抗性较Ti-6242S 优，耐氧化温度可达600℃（1100°F） 。此合金正由美国赛车零件造作商评估中，利用性指日可待 。
3）排气门可选取γ- TiAl 。 γ- TiAl 拥有耐高温及质量轻的特点，但不适合以传统的铸造法加工，仅适合使用铸造法与粉末冶金法加工 。当造作步骤越发成熟后，其价值也许会较目前宽泛使用的镍基超合金排气门便宜 。
3、气门弹簧座
气门弹簧座必须具备高强度及耐委顿性，对于耐高温的要求不像气门那么高 。β钛合金为热处置型合金，能依固溶时效处置来获得很高的强度，所以Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si 是相宜的资料 。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 。质量较原钢造锁扣减轻了42%，气门机构惯性质量削减6%，发起机最大转速增长300r/min 。
4、气门弹簧
气门弹簧的作用是使气门能的确的关关，尤其是发起机在高速运行时，气门弹簧因活动速度加快，易引起弹簧之谐振而导致气门开关不的确，影响发起机机能，故气门的资料须具备质轻、强度大及耐委顿的个性 。钛合金质量轻、比强度大及剪力模数低，是弹簧的梦想资料 。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 较幼会使弹簧在受负荷时变形量增长，为了预防这种情景，可使弹簧在设计时有较少的圈数及缩幼弹簧直径，如此不只可削减弹簧的变形量，并且尺寸大幼仅是钢弹簧的一半，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，提高发起机气门弹簧谐振的临界转速，增长发起机高速运行之效能 。对汽车设计者而言，钛合金弹簧尺寸较幼，在空间的利用上会更矫捷 。
β钛合金因拥有高强度及优良的冷加工成型性，所所以气门弹簧的良好资料 。通常在贸易上使用最多的β钛合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（Ti-38644） 。
5、涡轮增压器
使用涡轮增压器能够改善发起机的点火效能并推进发起机功率及扭力 。然而，涡轮增压器的轮机转子（turbine wheel）持久露出在850℃以上的高温废气中，故具备耐热性是很沉要的前提 。传统的轻金属，如铝合金或镍基合金，因其溶点较低，无法使用 。固然陶瓷资料质量轻且耐高温性佳而被利用在轮机转子上，但由于成本高及状态上无法最佳化而使得利用上受到限度 。因而Tetsui 等人发展了TiAl 轮机转子，经过了屡次的发起机试验，不只其耐久性及效力已受到证实，并且也能够改善发起机加快性及削减废气中的有害物质 。此项设计已成功的贸易化利用在Mitsubishi LancerEvolution 系列车款上 。
6、排气系统
钛合金由于拥有优良的耐蚀性，故很适合做为排气管（含消声器）的资料 。因耐蚀性佳，故排气管的管壁能够作得较薄，约1mm 厚，所以钛排气管与不锈钢排气管比力起来，可减轻约60%的质量，例如409 不锈钢排气管沉达10kg，但钛排气管质量只有3.2kg 。贸易用纯钛（CP）是排气管的梦想资料，ASTM Grade 2之纯钛（如Timetal50A）在获得性、造作性、焊接性与机械性质上是很相宜的资料 。纯钛可于冷温下成型，所以钛排气管适合于在室温下成型，且其成型的设备与技术皆和钢排气管一样，这使得钛排气管在造程上的成本并不会增长 。钛排气管的造程是利用缝焊与电阻焊将膨胀箱（expansion box）焊合，而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
钛合金在车辆中宽泛利用，能大大消减整车质量和提高耐用性，发起机元件，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 。如发起机摇臂、紧固件、车挡支架、造动器卡钳活塞、销轴栓、离合器圆板、压力板、节造杆、从动轴、阀弹簧和紧固件等 。
二、钛合金零部件的优越性
钛合金拥有质轻、比强度高及耐蚀性好蹬着点，在汽车工业中得到了宽泛的利用，利用最多的是发起机系统 。钛合金零部件的利用可減少发起机振动与噪声，提高曲轴动弹速度，削减曲轴应力，得到较高的发起机扭力，可提高发起机气门振动的临界转速，可削减弹簧负荷，削减气门机构磨损及降低燃油亏损 。
在汽车的消声器设计、造作及利用是相宜的，一方面利用钛合金室温下的高加工性，同时也提高利用高温强度、高耐氧化性及耐蠕变性 。钛合金在其他部件上的利用可提高人员的舒服度和汽车的美观等 。另表钛合金在汽车节能降耗方面起到了不成估计的作用 。
结语
钛合金利用在汽车上已经有优良的成效，但目前多利用于赛车及跑车上 。价值昂贵与造作成本高是钛合金不能普遍利用在家庭房车的底子原因 。所以，廉价钛合金的开发是钛合金实用化的沉要关键，以下几点是今后钛合金零部件开发利用的方向：
1）以廉价值的增长元素取代钛合金中沉要的增长元素如V、Mo 及Nb 等高价元素 。
2）开发易切削之钛合金 。
3）改善造作钛粉末的步骤 。
4）使用陆续铸造法出产幼直径钛棒或平板，可削减人力及能源的使用，降低成本 。
5）选取近净型（near net）铸造技术或近净型粉末冶金造程开发廉价钛合金 。
我国在大力发展汽车用钛的推广工作 。逐步将钛与汽车联系起来，以推进钛在汽车方面的利用 。而汽车用钛钻研工作则一向在发展，如粉末冶金钛和TiAl的钻研 。钛合金价值昂贵重要是受造于目前的冶炼加工技术，而钛在地壳中的半富水平仅次于铝、铁、镁，排第4位 。由于钛合金工业不休的在民用产品上的开发利用，钛合金的产量也逐年增长，对钛合金技术的研发也必将得到进一步加强，钛冶炼及加工成本的降低也是必然趋向 。由于钛合金在实显禧车轻量化、低燃油亏损率及高机能上的阐发，全球领域内节能减排的要求、新能源汽车篷勃发展，简化造作工艺内涵降低成本，是未来汽车发展趋向，所以钛合金必将在汽车工业中占有沉要的职位，得到宽泛利用 。钛合金部件在通常家用汽车上的利用在不久的未来必将得到宽泛利用 。
参考文件
[1] 李建明，赵成龙，齐萌蒙．面向数字化工厂建设的数据利用钻研[J]．数字技术与利用，2020（5） : 70－73．
[2] 刘亮.数字化工厂的实现方式与利用分析[J].经营者，2019（4）：123-125.
[3] 田建忠.数字化工厂利用近况与远景瞻望[J].创新科技，2017（5）：36-38.
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