前言
钛合金以其比强度高、耐腐蚀能力强以及耐热耐冷性能好等特点被人们誉为“魔力”金属或“神奇”金属，先后在航空航天、海洋发电以及化工冶金等方面得到应用。目前，随着汽油价格的不断攀升，以及人们对高性能轿车的日益需求，将钛合金应用于汽车工业以减轻车重和提高性能已逐渐为汽车制造厂商所认同。其实，早在1956年美国通用汽车公司已研制出了一种全钛汽车(名为“火鸟”)[1]，只不过由于其造价昂贵，后来仅在赛车上保留了应用。如今随着低成本钛合金的不断研制以及其制备工艺的不断创新，将钛合金应用于普通汽车又崭露锋芒。2001年大众汽车公司首次在LupoFSI普通轿车上标配了钛合金弹簧，使得汽车减重82kg，同钢弹簧相比，减重60％~70％，弹簧高度降低40％[2]。本文首先简述了钛合金的研究现状，然后对其在汽车零件上应用的必要性及存在的问题进行了分析评述，在此基础上展望了车用钛合金的研发趋势。
1、钛及钛合金的研究现状
钛及钛合金在汽车工业上应用的最大问题是其高昂的价格。表1列出了目前钛合金同其它车用合金的价格对比。可以看出，无论是在金属的冶炼还是后续的加工，钛合金的价格都远远高于其它金属。但是，如果考虑到钛合金的比强度、比疲劳性能(见表2)以及其优异的耐腐蚀性能，钛合金的优势仍无法被其它材料所替代。美国福特汽车公司已经确立了车用钛合金的价格目标，发动机部件在13美元／kg~20美元／kg，其它重要部件不超过8.9美元／kg。如果钛合金的价格可以降到4.4美元／kg，也就是海绵钛的价格，将会获得更为广泛的应用[4]。
实际上，这一价格要求目前正在被逐步实现。首先是在海绵钛的制备工艺方面已有所突破。英国剑桥大学目前正在研制的电化学法(FFC方法)提炼海绵钛[5]，原理见图1，同传统的Kroll或Hunter方法相比，不仅工艺大大简化，并且，还可以同时提纯其它合金元素的氧化物(如Al2O3、V2O5等)，从而可以直接制备出钛合金来，这样，钛合金的制备成本将显著降低。美国政府的DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)部门已出资1.23千万美元计划在未来的4年内将这一技术从实验室转移到生产工厂，因此低成本的海绵钛及钛合金指日可待。其次在合金制备以及加工工艺方面，利用近净成型技术(NNS)以及粉末冶金技术(P／M)来制备钛合金零件，降低其制作成本，也取得了令人瞩目的成绩。图2示意的说明了利用粉末冶金技术制备车用钛合金零件的过程。由粉末开始，通过混合、冷等静压、烧结以及最后的热等静压、锻造或挤压来成型。同传统的制备工艺相比，工序简单，且原材料消耗也大为降低，成本明显下降。但是，由于这种钛合金是通过粉末烧结形成的，因此在合金的性能方面自然就不如传统的锻造钛合金。
尽管最后通过锻造或挤压变形能够使性能有所提高，但原有的低成本优势将大打折扣，并且，制粉所附加的额外费用将导致其成本可能超过了传统的制备方法。因此，这一制备技术目前还处在关注之中。最后在传统的钛合金制备方面，通过使用廉价的母合金来取代昂贵的合金化元素以达到降低钛合金的成本，也取得了可喜的进展。如美国TIMETAL公司研制的TimetalLCB钛合金，就是利用低廉的Fe.Mo中间合金来取代昂贵的V、Zr、Nb等合金元素使钛合金的价格降低。这一方法目前来说是最有基础也是最可行的方法，已被用于汽车零件的生产。
3、车用钛合金零件应用现状及存在问题
目前，车用钛合金主要用于制造汽车发动机零件，如连杆、凸轮轴、进气／排气阀、气门弹簧，以及一些重要的辅助零件，如排气管、消音器、悬挂弹簧以及密封零件等。图3示意的说明了钛合金在汽车中潜在的应用部位[6]。
表3列出了车用钛合金的牌号及对应的零件。
可以看出，所选的钛合金种类基本为工业纯钛以及常用的Ti-6Al-4V系列合金。使用工业纯钛是利用其质量轻的前提下较好的室温塑性和耐腐蚀性能，使用Ti-6Al-4V系合金是看重其质量轻的前提下优异的综合力学性能和耐腐蚀性能。下面就以几个车用部件来具体说明钛合金的应用优势及存在的主要问题。
3.1发动机部件
在汽车发动机部件中，连杆是目前钛合金的主要应用对象之一(见图4)。主要使用的钛合金有Ti-6Al-4V、Ti10V2Fe3AI(Ti-10-2-3)、Ti4AI4Mo4Sn0.5Si(Timetal550)等，目前又推出了使用TiB2／TiC增强的钛合金(Ti-MMC)来制备连杆。
用钛合金制备连杆的优点之一是质量轻，之二是疲劳性能高。因为连杆的质量愈轻，其振荡能耗愈少、噪音愈低、震动愈小、最大引擎速度愈高，车的油耗减少，性能提高。同时，疲劳性能高意味着使用寿命延长，汽车的质量及价格均得到提升。连杆在工作时，不仅要受到往复拉压载荷(低周疲劳)，同时在高速运转时又受到离心力冲击载荷(高周疲劳)，因此，既要求材料具有高的抗拉强度以满足高周疲劳的需要，同时又要具有一定的塑性以满足低周疲劳的需要。Ti-6Al-4V合金比较适合这一需要。
同其它钛合金相比，用Ti-6Al-4V合金制备连杆的最大优势是其较高的强塑配合，不仅低周疲劳性能而且高周疲劳性能均较高。Ti10V2Fe3A1合金在保持塑性不降低的前提下提高了Ti-6Al-4V合金的抗拉强度，即提高了其抗冲击载荷的能力，但由于其合金化元素较多导致价格较高，仅可应用于高端车型。Ti4A14Mo4Sn0.5Si合金提高了Ti-6Al-4V合金的抗氧化能力以及抗冲击载荷的能力，但由于其塑性相对不足，使连杆较易沿径向出现裂纹，发生低周疲劳破坏。不过，上述这些材料有一个共同的缺点就是耐磨性能差以及刚度较低，尽管通过表面改性以及设计改进来提高耐磨性和提高刚度，但效果并不突出，而且还增加了加工成本。TiB2/TiC增强型钛合金正是在这一背景下运用而生，其抗拉强度可达到1700MPa以上，不仅提高了耐磨性能，而且合金的刚度也得到大幅提高。但是，由于其塑性较低，抗低周疲劳破坏的能力较差，并且成本较高，因此在普通汽车上的应用还有待研究。
气阀是另一个比较热门的钛合金应用对象。由于气阀(特别是排气阀)的工作温度较高，约900℃，因此，使用常规的Ti-6Al-4V合金以及TiB2/TiC增强的钛合金均不能满足抗氧化性能以及抗蠕变性能的要求。γ-TiA1合金具有较高的高温强度和抗氧化性能，已被用来制备赛车气阀，但是，由于γ-TiA1的室温塑性平均不超过1％，使用时的安全系数太小，并且，由于其制备成本较高，组织控制困难以及性能不稳定，因此，γ-TiA1距离轿车应用还有很长的路。
3.2排气系统
钛合金在汽车上的另一个应用就是排气系统。
以前使用的材料为不锈钢，显然质量较钛合金为高。表4为两种材料在排气系统的质量对比。可以看出使用钛合金可以明显减轻汽车质量。除此以外，由于钛合金的焊接性能好，不像不锈钢那样容易从焊缝开裂，因此，钛合金排气阀的使用寿命较长，为12年～14年，而不锈钢一般不到7年就得更换，从而有效节约了费用。目前，出于减轻质量以及便于加工的原因，使用塑性好的商业纯钛来制备排气系统部件。但是，由于尾气温度较高，纯钛的耐高温氧化性能不如不锈钢，因此被应用于排气系统的后端而不是全部部件，这样其减重效果大打折扣。如何开发室温塑性好且高温抗氧化能力强的钛合金，以及如何通过表面改性和涂层处理来提高其表面抗氧化水平均属目前的研究问题。
3.3车用弹簧
钛合金在汽车上最理想、也是目前最成功的应用环节应该是用来制造弹簧。钛合金几乎所有的特点都在制备弹簧过程中得到了应用，并且还达到了钢铁材料难以达到的性能指标，使其成为最佳的弹簧材料候选。
用钛合金制备轿车弹簧具有一系列优点：首先从其弹性性能上说，由于钛合金的弹性极限(σe)高而弹性模量(E)低，其弹性应变能σ2e/2E非常高，是钢弹簧的10倍以上，因此，使用钛合金弹簧将明显提高乘车舒适度；其次，从使用寿命上说，由于钛合金具有优异的疲劳极限，可以满足弯曲疲劳强度大于800Mpa的要求，其卷簧所需材料的质量减少且寿命延长。同时，钛合金的抗腐蚀能力强，无需额外的表面防锈处理，因此，钛弹簧的使用寿命比汽车本身的寿命还长，无需中间更换；再次，从加工角度来说，由于制备弹簧的钛合金为钛合金，其在淬火状态下强度很低，非常有利于冷拔拉丝，可以利用钢丝的设备进行加工，然后通过时效处理提高强度，因此生产设备简单；最后，从油耗方面来说，由于钛合金的密度小，钛弹簧的质量仅有钢弹簧的一半多，见图5，因此省油效果明显。
并且，在相同的弹性功前提下，钛弹簧的高度仅为钢弹簧的40％，便于车体设计。因此，用钛合金制作车用弹簧被认为是最理想的材料，唯一不足就是价格问题。
目前车用钛合金弹簧为Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al钛合金，是1990年由TIMET公司发明的，牌号为TimetalLCB(LowCostBetaTitanium)。此合金是
在航空用钛合金弹簧Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(牌号为BetaC)的基础上，通过使用了大量的Fe-Mo中间合金改良而来，目的是保证性能基本相当的情况下降低成本。尽管其成本较BetaC有了一定程度的下降，但由于Fe-Mo中间合金的价格并不低，因此仍然高于现有的工业纯钛的水平，还有进一步降价的空间。
4、车用钛合金的研发趋势
总的来看，尽管钛合金相比其它车用材料具有较大的性能优势，但是其昂贵的价格仍然是阻碍其广泛应用的主要障碍。但是，这并不是说，钛合金不能应用于汽车行业。如果使用钛合金所带来的经济效益能够抵消其高昂的价格，以及使用钛合金可以满足某些先进技术的需要，那么使用钛合金也不是不可以的事情。在上述的汽车发动机、排气系统以及弹簧等部件中，均有钛合金存在的必然之处，同时也有一些不足之处，正因为如此，研究不应建立在传统的提高强塑性方面，而应该更多的从汽车零件的服役条件出发，有针对性的选择和开发一些具有特色性能的钛合金。比如连杆，可以通过纤维增强Ti-6Al-4V合金来达到强塑配合不变的情况下提高其耐磨性及刚度不足等问题，也可以通过钛合金析出强化的特点，在连杆的大端和小端利用时效强化析出细小的6c相来满足高强度高周疲劳的需要，而杆身部位则利用析出尺寸较大的6c相达到高的强塑
配合以满足低周疲劳性能的需要等等。因此研发前景大有可为。
参考文献
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