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鈦合金及3D打印在汽車行業的運用

近些年來,隨著汽車工業的迅猛發展,汽車產生的油耗、環保和安全問題日益受到人們的關注。展望未來汽車工業的發展方向,輕量化、油耗低及排放少是發展的主題。根據國際權威部門統計的數據,汽車燃料燃燒能量的60%消耗于自身質量,盡管目前高強度薄鋼板、鋁材、鎂材、金屬基復合材料及塑料樹脂類材料在減輕汽車重量方面已經發揮了作用,但是工業用鈦材料的出現使得汽車制造有了更好的選擇。

汽車的銷量越來越高,更多的汽車企業也更加關注成本的控制。成本控制以及新型汽車研發,可以讓企業在市場中更加具有競爭力。當前,3D打印零部件可以為企業大幅度減少成本。本文,將從以下幾個方面介紹鈦合金和3D打印在汽車行業的運用。

一、鈦合金在汽車工業的應用現狀

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。

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1,100t,2009年達到了3,000t,預計2015年全世界汽車用鈦量將突破5,000t。目前鈦合金零部件有以下幾種比較常用。

1.鈦合金在汽車零部件中的應用

1.1 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-2V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等,其他鈦合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7Mn-4Mo等在連桿中的應用也在研發中。

1.2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-4Zr-0.4Mo-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。

1.3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。三菱汽車在其規模化生產汽車上使用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。

1.4 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-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al和Ti-13V-11C-3Al等。

1.5 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。

1.6 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。

1.7 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。

1.8 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。

2.鈦合金的應用

2.1 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。

2.2 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/千克,氣閥用鈦材13~20美元/千克,彈簧、發動機排氣系統及緊固件用鈦材希望在8美元/千克以下。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/千克,是鋁板材的6~15倍,鋼板材的45~83倍。

二、3D打印在汽車行業的運用

3D打印,大家的第一印象可能都是各種塑料的打印物品。主要原因是目前最普及的桌面級3D打印機基本都采用了熔融沉積成型技術(FDM),材料多為PLA、ABS這樣的塑料。目前制備金屬的3D打印技術主要有:選擇性激光燒結(SLS)、電子束選區熔化(EBSM)、激光近凈成形(LENS)等。

現在,不少汽車廠商在研發階段會使用3D打印來制作零件原型,進行工業驗證,對設計進行修改。當然,也有不少企業已經在嘗試將3D打印用于制造汽車。汽車使用的金屬零件中,有鍛造的,也有鑄造的,其中鑄造的占大多數。鍛造件的力學性能,剛性都更好,一般用于重要部件。鑄造件的力學性能沒有鍛造件好,一般是非重要部件使用。而目前的金屬3D打印件的抗剪切性能相對較差,但其它性能應該比鑄造件更好一些,只是比不上鍛造件。

因此很多汽車零件是可以使用金屬3D打印的零件。之前谷歌、寶馬等幾家巨頭公司投資了金屬3D打印公司Desktop Metal。寶馬希望能夠加速金屬3D打印在汽車制造領域的應用。

1.3D打印在汽車行業的應用范圍

1)首先3D打印可以應用在整車造型上,通過這個工藝可以1:1全尺寸按著設計師的要求打造。整車開發中需要對汽車的外形、內飾等外觀造型進行設計、評審和確定。

2)通過3D打印可以對設計進行驗證,對產品的可靠性(安裝結構、零件匹配、結構強度等)進行驗證,同時也為了彌補整車試驗處于整車開發中后期帶來的設計風險,需要在設計前期進行驗證。

3)同樣面對一些結構復雜零件,無法采用傳統的制造工藝進行制造,或者常規制造成本非常高昂,那么運用3D打印工藝可以很好地解決。

4)汽車輕量化在產品開發中占據了舉足輕重的位置,有了3D打印技術,使得塑料乃至金屬制造中的輕量化結構零件成為了可能,而不再靠單一的傳統工藝。

5)通過3D打印技術,除了在汽車的零部件上,生產線上的裝配零件、測量工具、檢具也同樣適用。

2.3D打印在汽車行業的優勢

一輛汽車從產品規劃到投放市場經歷一段相當長的時間,一個全新的產品的開發最長需要經歷57個月。而之前還需要更長的時間進行技術研究。通過3D打印工藝,可以大大縮短生產周期。企業可以提高效率。其次,可以通過在開發過程中,更加注重產品的可靠性。再次,可以解決產品生產過程的限制問題,比如說某些零件通過傳統工藝達不到。在成本上,降低產品開發費用,無需制造磨具和特定的生產線。最后,可以實現汽車產品的個性化,適宜小批量個性化制造。

3.3D打印在汽車行業的不足

3D打印仍然處于研發階段,沒有達到成熟的程度,短時間內還不能代替傳統工藝。表面質量尚有差距,需要拋光、染色、電鍍、噴漆等后續處理。材料上的選用也仍有局限性。目前,整體產業鏈尚不成熟。

結語

新一代汽車設計更重視車身的輕量化、燃料的低消耗、發動機的低噪聲及輕振動,以滿足環境日益苛刻的要求。在這種背景下,輕金屬鈦將成為未來汽車的一種主要應用選擇材料。鈦合金最終將在汽車工業生產中占有重要的地位。3D打印作為一種新型工藝,也正在服務于汽車產業。

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