近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，世界汽車產(chǎn)量和保有量迅速增加。2009 年我國汽車產(chǎn)銷量超過 1 300余萬輛，超過美國、日本成為世界汽車產(chǎn)銷第一大國。汽車在給人們出行帶來方便的同時也產(chǎn)生了油耗、環(huán)保和安全三大問題。著眼于長遠的可持續(xù)發(fā)展，降低燃油消耗和減少排放污染顯得尤為迫切。據(jù)國際權(quán)威部門統(tǒng)計汽車所用燃料約 60%消耗于汽車質(zhì)量，汽車每減輕 10%的質(zhì)量，廢氣排放量可減少 10%，可降低油耗 7%。由此可知, 汽車、輕量化是實現(xiàn)上述目標的有效措施。實現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有兩種：一是優(yōu)化汽車框架結(jié)構(gòu)；二是在汽車制造上采用輕質(zhì)材料。目前，汽車上使用的輕合金主要有鋁、鎂、鈦合金等金屬。 

1鈦合金在汽車上的應(yīng)用及特點

鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)及功能材料，它具有優(yōu)異的綜合性能，密度小，比強度高。鈦的密度為 4.51 g/cm3，介于鋁(2.7 g/cm3)和鐵(7.6 g/cm3)之間。鈦合金的比強度高于鋁合金和鋼的，韌性也與鋼鐵的相當。鈦及鈦合金抗蝕性能好，優(yōu)于不銹鋼的，特別是在具有氯離子侵蝕的海洋大氣環(huán)境中和微氧化氣氛下，其耐蝕性好。鈦合金的工作溫度區(qū)間較寬，低溫鈦合金在−253 ℃還能保持良好的塑性，而耐熱鈦合金的工作溫度可達 550 ℃左右，其耐熱性明顯高于鋁合金和鎂-鈦及鈦合金在汽車上的應(yīng)用 s1035合金的，同時，具有良好的加工性和焊接性能。

鈦及鈦合金優(yōu)異的性能自鈦工業(yè)化生產(chǎn)以來就倍受關(guān)注，伴隨著鈦行業(yè)的起步，在 20 世紀 50 年代中期，鈦材進入汽車工業(yè)。1956 年，美國通用公司研制了“火鳥Ⅱ”型全鈦汽車，“火鳥Ⅱ”型汽車的表明了汽車工業(yè)對鈦工業(yè)的需求和期望，同時也預(yù)示了進入汽車市場是鈦工業(yè)發(fā)展的長遠任務(wù)和目標。在日本，本田公司在 20 世紀 50 年代中期開展了鈦材料和鈦制零部件的研制工作，在 20 世紀 60 年代，賽車發(fā)動機上使用了鈦制部件。在 20 世紀 80 年代，鈦制零部件用到車輛批量化生產(chǎn)中。20 世紀 90 年代初，隨著世界性能源短缺及人們環(huán)保意識的加強，美國、日本和歐洲等國先后頒布了系列生態(tài)法規(guī)，對燃油利用率，CO2排放量、汽車質(zhì)量的減輕、汽車安全性和可靠性等提出了更高的要求。許多發(fā)達國家和著名的汽車制造商都積極開發(fā)并增加在汽車用鈦方面的研究投入。為汽車用鈦提供了強大動力。進入新世紀，我國鈦工業(yè)也逐步進入汽車領(lǐng)域。

在當前汽車市場上，隨著豪華汽車、跑車和賽車的需求逐年增加，鈦制零部件亦逐年增加。1990 年全球汽車用鈦僅為 50 t/a 左右，1997 年為 500 t/a，2002年為 1 100 t/a，2009 年為 3 000 t/a。由此可見，鈦材在汽車行業(yè)的應(yīng)用進入加速階段。

1.1汽車中使用的鈦制零部件

鈦在汽車上的用途主要分為兩大類：第一類是用來減少內(nèi)燃機往復(fù)運動件的質(zhì)量(對作往復(fù)運動的內(nèi)燃機零件來講，即使減少幾克質(zhì)量都是重要的)；第二類是用來減少汽車總質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計和材料特性，鈦在新一代汽車上主要分布在發(fā)動機元件和底盤部件上。鈦可制作發(fā)動機系統(tǒng)閥門、閥簧、閥簧承座和連桿等部件以及底盤部件中的彈簧、排氣系統(tǒng)、半軸和緊固件等。
鈦制汽車連桿。用鈦合金制造連桿能有效減輕發(fā)動機質(zhì)量、提高燃油利用率和減少排氣量。與鋼制連桿相比，質(zhì)量可減小 15%~20%。意大利的新型法拉利 (Ferrari)3．5LV8 與 Acura 的 NSX 發(fā)動機首次使用了鈦合金連桿。連桿所用材料主要是 Ti-6Al- 4V、Ti-10V-2Fe-3Al 和 Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si 等，其他材料如 Ti-4Al-2si-4Mn 和 Ti-7M-4Mo 等在連桿中的應(yīng)用也在研制中。

1.1.2 鈦合金發(fā)動機氣門和氣門座

用鈦合金制作汽車發(fā)動機氣門，不僅可減重、延長使用壽命，而且可提高汽車的可靠性和節(jié)省燃油。與鋼制氣門相比，質(zhì)量減小 30%~40%，極限轉(zhuǎn)速提高20%。美國汽車制造商利用鈦合金制作進、排氣閥較普遍，進氣閥使用 Ti-6A1-4V 合金 ，排氣閥使用Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo 合金。日本汽車制造商制造的燒結(jié)氣門已供應(yīng)日本汽車市場。使用的合金為 Ti-5Al- 2Cr-1Fe, Ti-6A1-4V/TiB，Ti-Al-Sn-Zn-Mn-Nb-Si/TiB和 γ-TiAl
鈦制氣門座形狀簡單，易于機械加工，同時，不必進行表面處理，降低了成本。與鋼制氣門座相比，質(zhì)量減小 10~12 g。其在賽車上被廣泛采用，使用的合金為 Ti-6A1-4V 和 Ti-5Al-2Cr-1Fe。

1.1.3 鈦合金彈簧

鈦及鈦合金彈性模量低，σs/E 比值大，適合制作彈性元件。與鋼制汽車彈簧相比，在相同彈性功的前提下，鈦彈簧的高度僅為鋼彈簧的 40%，便于車體設(shè)計，其質(zhì)量減小 60%~70%。鈦合金優(yōu)異的疲勞性能和耐蝕性能可提高鈦彈簧的使用壽命。1999 年，LupoFSL尾軸上首次使用了鈦制彈簧，如圖 5 所示。目前，汽車彈簧用鈦合金為 Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al和Ti-13V11C- 3A1 等。

1.1.4排氣系統(tǒng)和消音器

鈦在排氣系統(tǒng)中用量較大，用鈦及合金制作的排氣系統(tǒng)不僅可以延長使用壽命、提高可靠性和改善外觀，還可以提高燃料效率、減小質(zhì)量，與鋼制排氣系統(tǒng)相比，鈦制排氣系統(tǒng)質(zhì)量可減小約 40%。在 Golf系列汽車中，鈦制排氣系統(tǒng)質(zhì)量可減小 7~9 kg。2001款 CorvetteZ06 汽車最早采用鈦排氣系統(tǒng)

鈦消音器只有 5~6 kg, 比不銹鋼等消音器質(zhì)量小。2000 款雪佛萊 CorvetteZ06 汽車用一個 11.8 kg 的鈦消音器和尾氣管系統(tǒng)代替原來 20 kg 的不銹鋼系統(tǒng),質(zhì)量減小 41%。替代后的系統(tǒng)強度不變，并使汽車速度更快、操作更靈活且節(jié)約燃料。日本本田等四家公司采用了鈦制消音器用于大型汽車和個別中型汽車上。使用的鈦材主要為工業(yè)純鈦。

1.1.5車體框架部分

為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設(shè)計和制造方面，尤其是材料方面進行考慮。鈦不僅具備高的比強度，還具備良好的韌性，是制作車體框架的良好材料。在日本，汽車制造商們采用純鈦焊接管制作框架(見圖 7)，這類框架給駕車者足夠的安全感。

1.1.6 其他部件

鈦除了應(yīng)用于上述所列部件外，還應(yīng)用于如下部件：發(fā)動機部件的搖臂、懸簧、活塞銷、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子、緊固件、掛耳螺帽、車擋支架、門突入梁、制動器卡鉗活塞、銷軸栓、離合器園板、壓力板和變速按鈕。

2降低鈦合金成本的途徑

盡管鈦及鈦合金早在上個世紀 50 年代就進入了汽車制造領(lǐng)域，但發(fā)展比較緩慢，其原因主要是價格因素，為了滿足汽車行業(yè)用鈦，鈦工業(yè)者在熔煉、加工和制造等方面進行了大量的工作，以滿足汽車業(yè)的需求。

2.1降低原材料成本

鈦金屬熔點高，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，與 O，H，N 和 C 等元素有極強的化學(xué)親和力,致使純鈦提取困難。工業(yè)上普遍使用 Kroll 鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦。Kroll 鎂還原法生產(chǎn)海綿鈦工藝復(fù)雜、能耗高、周期長，并且不能連續(xù)生產(chǎn)，同時，需用大量的金屬鎂作還原劑，生產(chǎn)成本較高。目前，由英國劍橋大學(xué)開發(fā)的熔融CaCl2 中直接電化學(xué)還原 TiO2的工藝有所突破，該方法生產(chǎn)海綿鈦的生產(chǎn)周期短，且生產(chǎn)成本下降40%。

鈦合金價格高的另一個原因是合金化元素價格較高，鈦合金大多以高價的V作為合金元素來提高強度，而這些合金化元素又多以 Al-X 作為中間合金添加。以廉價的 Fe，Cr 等合金元素取代 V 元素，是降低鈦合金成本的一種有效方法。美國 Time 公司為取代價格較高的 Ti-1023 而開發(fā)的高強鈦合金 Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe 和汽車用鈦合金 Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si 均使用了便宜的 Fe 作為合金元素，成本降低15%~20%。 表 1 所列為適用于汽車的低成本鈦合金品種。

隨著鈦冶煉技術(shù)的進步，將鈦在生產(chǎn)、加工過程中所產(chǎn)生的邊角余料、廢屑等殘料經(jīng)系列處理后作為s1038 中國有色金屬學(xué)報 2010 年 10 月 表 1適用于汽車的低成本鈦合金品種Table 1 Types of low cost titanium alloys in automobile爐料添加，實現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn)，是降低原材料成本有效方法。實踐表明，每利用 1%的殘鈦，可使鈦錠生產(chǎn)成本降低 0.8%。如果采用電子束冷床爐、等離子束冷床爐進行熔煉，不僅可以改善鈦錠的冶金質(zhì)量，同時可以大量使用回收爐料，有效降低鑄錠成本。

2.2降低加工成本

占總成本 60%以上的加工成本是研究的重點。鈦材零部件在生產(chǎn)制作過程中不僅工藝復(fù)雜，還在制作過程中產(chǎn)生了大量的殘鈦，且生產(chǎn)周期較長，導(dǎo)致部件制作成本高，阻礙了其更為廣泛的推廣應(yīng)用。
 

鑄造是經(jīng)典的(近)凈成型工藝。生產(chǎn)的零部件無需機加工或機加工很少，從而節(jié)約了大量金屬。鑄造常常能生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的零件，而這些零件采用其他傳統(tǒng)工藝方法制造時工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，特別是對材料價格相對較高的鈦金屬。目前，在航空工業(yè)大量應(yīng)用了鈦鑄件。在汽車制造業(yè)，用鑄造法生產(chǎn)的部件有閥門和渦輪増壓器等。

粉末冶金作為一種現(xiàn)代冶金和材料加工的先進技術(shù)方法，在鈦工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。采用鈦粉末冶金近成型技術(shù)，可直接制取成品或接近成品尺寸的零部件，降低原材料消耗，縮短加工周期，成本比常規(guī)工藝節(jié)省 20%~50%。在汽車制造業(yè)，鈦粉末冶金近成型技術(shù)尤為重視，在日本，汽車粉末冶金零件被廣泛用于發(fā)動機和變速箱。目前鈦粉末冶金的研究正處于飛速發(fā)展階段，主要包括 2 個方面：一是高質(zhì)量低成本鈦粉制備技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化；二是鈦粉末冶金的制備技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的推廣應(yīng)用。

除此之外，利用激光成型技術(shù)(集成了激光技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果)，根據(jù)計算機模型，可直接用合金粉末一次成型形狀復(fù)雜的零件，制造出的鈦零件性能介于鑄造和鍛造之間，而成本降低 15%~30%，交貨時間縮短 50%~75%。金屬粉末注射成型技術(shù)(MIM)是發(fā)展較快的一種近(凈)成型粉末冶金技術(shù)，可制造高質(zhì)量、高精度的復(fù)雜零件，被認為是目前最有優(yōu)勢的成型技術(shù)之一。鈦涂層技術(shù)也是一種能降低成本的新型工藝。美國 Allied Signal 公司制造出的本迪克斯牌表面鈦涂層汽車剎車片，已投放市場，美國兩大汽車公司(Ford 和 GM)還研究新型γ-TiAl 氣門，以用于汽車上?？梢姡档外伈牧系膬r格必須從開發(fā)低成本的新的合金系、改進生產(chǎn)工藝兩方面入手，才能解決汽車用鈦受鈦材價格制約的問題，使汽車用鈦更具有競爭力和發(fā)展前景。

3 展望

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成，發(fā)生了較大的變化。低密度材料替代高密度材料是汽車制造業(yè)的發(fā)展趨勢。從上世紀 90 年代開始，隨著環(huán)境、能源危機等問題的出現(xiàn)，汽車材料向輕量化、高性能和高功能方向發(fā)展。鈦及鈦合金作為結(jié)構(gòu)功能性材料，是汽車實現(xiàn)輕量化，高性能、高功能化的重要基礎(chǔ)。目前，盡管鈦材在汽車領(lǐng)域應(yīng)用不大，但隨著鈦工業(yè)的發(fā)展，鈦加工成本的降低，鈦材終將在汽車領(lǐng)域占據(jù)重要地位。2009 年，我國汽車產(chǎn)銷量已達 1 300 余萬輛，若每輛汽車用 1 kg 鈦，鈦材用量可達 13 000 多噸?？梢?，汽車用鈦市場潛力巨大，前景廣闊。