汽車制造用TC4鈦合金板

詳細描述

TC4鈦合金材料的特點：

TC4鈦合金具有密度小，硬度高、可焊接性能好以及成形性能好的優勢，其應用領域也極為廣泛。TC4鈦合金在兩相區主要以再結晶的軟化機制為主，而在高溫單相區以動態回復機制為主。TC4鈦合金隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高 ；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。

經過實測軋制力與軋后表面溫度的理論仿真模擬計算，本次單道次軋制試驗實測數據與理論計算數據變化規律一致，說明所獲加工安全溫度為890℃～ 1000℃和失穩區范圍為700℃～ 850℃的結果是合理的。以下為利泰金屬TC4鈦板供貨標準:

產品名稱：TC4鈦合金板、TC4鈦板

牌號：Gr5，TC4

標準：ASTM B265，ASME SB265，DIN17851，TiA16Zr5Mo1.5，JIS4100-2007，GB3461-2007

尺寸

冷軋：厚0.02mm×5mm ×寬1500mm以下×長2500mm以下 熱軋：厚5mm×100mm ×寬3000mm以下×長6000mm以下

鈦金屬具有密度小、比強度高、耐蝕性好的優點，汽車采用鈦材料可極大地減輕車身質量，降低燃料消耗，提高發動機的工作效率，改善環境和降低噪聲。但是昂貴的價格，使得鈦合金在汽車工業中只能在豪華車型和跑車上有一些應用，在普通汽車上鮮有應用。因此，研究與開發適應市場需要的低成本鈦合金是推動其應用于普通家用汽車的關鍵。

鈦合金在汽車工業的應用現狀

盡管鈦合金已廣泛應用于航空航天、石油化工以及艦船工業上，但是在汽車工業中的應用卻發展緩慢。從1956年美國通用公司研制成功第一輛全鈦汽車開始，鈦制汽車零部件直到20世紀80年代才達到批量生產的水平，90年代隨著豪華汽車、跑車、賽車需求量的逐年增加，鈦制零部件才得到了飛快發展。1990年全世界汽車用鈦量僅為50t，1997年達到了500t，2002年達到了1100t，2009年達到了3000t，預計2015年全世界汽車用鈦量將突破5000t。目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。

1、發動機連桿

鈦合金是連桿用材料的理想選擇。用鈦合金制造的發動機連桿能有效減輕發動機質量，提高燃油利用率和減少排氣量。相比于鋼制連桿，鈦制連桿可減輕15%～20%的質量。鈦合金連桿的應用首先在意大利的新型法拉利轎車3.5LV8與Acura的NSX發動機上得到了體現。鈦合金連桿所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2.0V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等，其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7M-4Mo等在連桿中的應用也在研發中。

2、發動機氣門

用鈦合金制造的汽車發動機氣門，不但能減輕質量、延長使用壽命，而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比，質量可減少30%～40%，發動機極限轉速可提高20%。就目前的應用而言，進氣門的材料以Ti-6Al-4V為主，排氣門的材料以Ti-6242S為主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到較低的脆性和較高的強度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強淬火及時效鈦合金的強度，同時增加硬度。其他具有發展潛力的鈦合金有：

1）進氣門可采用Ti-62S，其特性相當于Ti-6Al-4V，且價格較便宜。

2）排氣門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si，因為較低的Mo含量，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優，耐氧化溫度可達600℃。

3）排氣門可采用γ-TiAl，其具有耐高溫及重量輕的特點，但加工時不適合用傳統的鍛造法，僅適合采用鑄造法與粉末冶金法加工。

3、氣門彈簧座

高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能，β鈦合金為熱處理型合金，能通過固溶時效處理來獲得很高的強度，相應的比較適合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽車在其規?；a汽車上使用Ti-22V-4Al 鈦合金汽門彈簧座，較原鋼制鎖扣減輕了42%的質量，氣門機構減少了6%的慣性質量，發動機最大轉速增加了300r/min。

4、鈦合金彈簧

鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量，σs/E值大，適合制造彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功的前提下，鈦制彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，質量僅為鋼制彈簧的30%～40%，便于車體設計。另外，鈦合金優異的疲勞性能和耐蝕性能可提高彈簧的使用壽命。目前，可用來制造汽車用彈簧的鈦合金材料有Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C-3Al等。

5、渦輪增壓器

渦輪增壓器可以提高發動機的燃燒效率并增強發動機的功率及扭力。渦輪增壓器的輪機轉子需要長期工作在850℃以上的高溫廢氣中，因此要求有很好的耐熱性。傳統的如鋁合金等輕金屬，因熔點較低而無法使用。雖然陶瓷材料因為重量輕且耐高溫性佳而在輪機轉子上得到應用，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使其應用受限。為了解決這些問題，Tetsui等人研發了TiAl輪機轉子，經過多次試驗驗證，其不但具有良好的耐久性及效能，而且也能改善發動機的加速性。此項設計已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列車型上得到了商業化應用。

6、排氣系統及消聲器

鈦在汽車的排氣系統中使用量較大。用鈦及其合金制造的排氣系統，不僅可以提高可靠性、延長壽命和改善外觀，還可以減少質量及提高燃料燃燒效率。鈦制排氣系統與鋼制排氣系統相比，質量可減少約40%。在Golf系列汽車中，鈦制排氣系統質量可減少7～9kg，目前排氣系統使用的鈦材主要為工業純鈦。

鈦制消聲器質量只有5～6kg，比不銹鋼等消聲器輕。2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上用一個11.8kg的鈦消聲器和尾氣管系統代替原來20kg的不銹鋼系統，質量減輕了41%。替代后的系統強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活及節約燃料。消聲器使用的鈦材同樣主要是工業純鈦。

7、車體框架部分

為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計和制造方面，尤其是制造材料方面進行考慮。鈦是一種用來制造車體框架很好的材料，其不僅比強度較高，還具有良好的韌性。在日本，汽車生產廠商選擇純鈦金屬焊接管制作車身框架，這種框架能夠使得駕車者在駕駛時具有足夠的安全感。

8、其他鈦合金部件

除了以上幾種部件，鈦還應用于發動機搖臂、懸掛彈簧、發動機活塞銷、車用緊固件、掛耳螺帽、汽車門突入梁、汽車擋支架、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、壓力板、變速按鈕及汽車離合器圓板等汽車零件。

鈦合金的應用優缺點

1、優點

鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點，故被廣泛應用在汽車工業中，應用鈦合金最多的是汽車發動機系統。利用鈦合金制造發動機零件有很多好處，主要表現在：

1）鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發動機的轉速及輸出功率。

2）減小運動零件的慣性質量，從而使摩擦力減小，提高發動機的燃油效率。

3）選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力，縮小零件的尺寸，從而使發動機及整車的質量減輕。

4）零部件慣性質量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發動機的性能。

鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業上的應用，鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。

2、應用限制

鈦合金零部件盡管具有如此優越的性能，但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

隨著近年來鈦合金近凈成形技術及電子束焊、等離子弧焊、激光焊等現代焊接技術的發展，鈦合金的成形及焊接問題已不再是制約鈦合金應用的關鍵因素，阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業的最主要原因還是成本過高。

無論是金屬最初的冶煉還是后續的加工，鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發動機排氣系統及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。而目前用鈦材料生產的零件成本比這些價格高了很多，鈦板材的生產成本大多數高于33美元/kg，是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。

汽車用鈦合金研究現狀

目前，降低成本是汽車工業用鈦合金的主要研究方向。針對汽車工業用鈦合金成本分布的特點，材料研發工作者主要從以下兩個方面來達到降低成本的目的：開發新型低成本合金體系和使用新型加工制備技術。

1、新型低成本鈦合金體系

各國工作者研發新型低成本鈦合金體系，主要著眼以下方面：使用廉價合金元素的合金設計和改善加工特性的合金設計。其中代表有日本和美國，我國國內也成功開發出了兩種低成本鈦合金，即Ti8LC與Ti12LC。在車用低成本鈦合金成分設計中，常使用的廉價合金元素有Fe、Cr、Si、Al等。

2、新型加工制備技術

鈦合金材料在生產過程中加工成本占總成本的60%以上，因此在降低成本方面，怎樣降低鈦合金的加工成本成為重點研究的方向。這方面的研究主要分為兩方面：一是改進傳統鑄鍛工藝，二是采用粉末冶金近凈成形技術。

在新型鍛造工藝研制開發中，冷鍛法是目前鈦合金制造汽車零部件最寄予希望的方法之一。β鈦合金在常溫下變形阻力小，切削加工成形好，是可以進行冷鍛造的材料，目前日本已經開發出三種冷變形的β鈦合金。β鈦合金也有一些不足，在冷鍛時容易產生不均勻變形，且容易粘附在模具上，因此用冷鍛技術量產β鈦合金零部件還需要進一步的探索與開發。

在降低鈦合金加工成本方面，粉末冶金是一項很重要的技術。在粉末冶金汽車零部件制造方面，傳統的壓制—燒結方法仍然處在主導地位，主要包括元素粉末法（BE）和預合金粉末法（PA）。目前元素粉末法因為其簡單的工藝及更低的成本，在低成本汽車鈦合金粉末冶金領域應用最廣泛。近年來，其他的粉末冶金技術也在不斷出現，包括激光成形技術、金屬粉末注射成形（MIM）等技術，在車用復雜零部件試制與生產方面得到了廣泛的應用，可大大的縮短產品開發與生產周期，進一步的降低成本。