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钛合金及3D打印在汽车行业的运用

近些年来,随着汽车工业的迅猛发展,汽车产生的油耗、环保和安全问题日益受到人们的关注。展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。根据国际权威部门统计的数据,汽车燃料燃烧能量的60%消耗于自身质量,尽管目前高强度薄钢板、铝材、镁材、金属基复合材料及塑料树脂类材料在减轻汽车重量方面已经发挥了作用,但是工业用钛材料的出现使得汽车制造有了更好的选择。

汽车的销量越来越高,更多的汽车企业也更加关注成本的控制。成本控制以及新型汽车研发,可以让企业在市场中更加具有竞争力。当前,3D打印零部件可以为企业大幅度减少成本。本文,将从以下几个方面介绍钛合金和3D打印在汽车行业的运用。

一、钛合金在汽车工业的应用现状

钛金属具有密度小、比强度高、耐蚀性好的优点,汽车采用钛材料可极大地减轻车身质量,降低燃料消耗,提高发动机的工作效率,改善环境和降低噪声。但是昂贵的价格,使得钛合金在汽车工业中只能在豪华车型和跑车上有一些应用,在普通汽车上鲜有应用。因此,研究与开发适应市场需要的低成本钛合金是推动其应用于普通家用汽车的关键。

尽管钛合金已广泛应用于航空航天、石油化工以及舰船工业上,但是在汽车工业中的应用却发展缓慢。从1956年美国通用公司研制成功第一辆全钛汽车开始,钛制汽车零部件直到20世纪80年代才达到批量生产的水平,90年代随着豪华汽车、跑车、赛车需求量的逐年增加,钛制零部件才得到了飞快发展。1990年全世界汽车用钛量仅为50t,1997年达到了500t,2002年达到了1,100t,2009年达到了3,000t,预计2015年全世界汽车用钛量将突破5,000t。目前钛合金零部件有以下几种比较常用。

1.钛合金在汽车零部件中的应用

1.1 发动机连杆

钛合金是连杆用材料的理想选择。用钛合金制造的发动机连杆能有效减轻发动机质量,提高燃油利用率和减少排气量。相比于钢制连杆,钛制连杆可减轻15%~20%的质量。钛合金连杆的应用首先在意大利的新型法拉利轿车3.5LV8与Acura的NSX发动机上得到了体现。钛合金连杆所用的材料主要有Ti-6Al-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-3Al-2V和Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si等,其他钛合金材料如Ti-4Al-2Si-4Mn和Ti-7Mn-4Mo等在连杆中的应用也在研发中。

1.2发动机气门

用钛合金制造的汽车发动机气门,不但能减轻质量、延长使用寿命,而且可降低油耗和提高汽车的可靠性。钛制气门与钢制气门相比,质量可减少30%~40%,发动机极限转速可提高20%。就目前的应用而言,进气门的材料以Ti-6Al-4V为主,排气门的材料以Ti-6242S为主,通常Sn和Al一起被添加,可以得到较低的脆性和较高的强度;Mo的添加可改善钛合金的热处理性能,加强淬火及时效钛合金的强度,同时增加硬度。其他具有发展潜力的钛合金有:

1)进气门可采用Ti-62S,其特性相当于Ti-6Al-4V,且价格较便宜。

 2)排气门可采用Ti-6Al-2Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si,因为较低的Mo含量,故其耐潜变抵抗性较Ti-6242S优,耐氧化温度可达600℃。

3)排气门可采用γ-TiAl,其具有耐高温及重量轻的特点,但加工时不适合用传统的锻造法,仅适合采用铸造法与粉末冶金法加工。

1.3气门弹簧座

高强度及耐疲劳性是汽门弹簧座必须具备的性能,β钛合金为热处理型合金,能通过固溶时效处理来获得很高的强度,相应的比较适合的材料有Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn与Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si。三菱汽车在其规模化生产汽车上使用Ti-22V-4Al 钛合金汽门弹簧座,较原钢制锁扣减轻了42%的质量,气门机构减少了6%的惯性质量,发动机最大转速增加了300r/min。

1.4 钛合金弹簧

钛及其合金相对于钢材料具有较低的弹性模量,σs/E值大,适合制造弹性元件。与钢制汽车弹簧相比,在相同弹性功的前提下,钛制弹簧的高度仅为钢弹簧的40%,质量仅为钢制弹簧的30%~40%,便于车体设计。另外,钛合金优异的疲劳性能和耐蚀性能可提高弹簧的使用寿命。目前,可用来制造汽车用弹簧的钛合金材料有Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al和Ti-13V-11C-3Al等。

1.5 涡轮增压器

涡轮增压器可以提高发动机的燃烧效率并增强发动机的功率及扭力。涡轮增压器的轮机转子需要长期工作在850℃以上的高温废气中,因此要求有很好的耐热性。传统的如铝合金等轻金属,因熔点较低而无法使用。虽然陶瓷材料因为重量轻且耐高温性佳而在轮机转子上得到应用,但由于成本高及形状上无法最佳化而使其应用受限。为了解决这些问题,Tetsui等人研发了TiAl轮机转子,经过多次试验验证,其不但具有良好的耐久性及效能,而且也能改善发动机的加速性。此项设计已成功在Mitsubishi Lancer Evolution系列车型上得到了商业化应用。

1.6 排气系统及消声器

钛在汽车的排气系统中使用量较大。用钛及其合金制造的排气系统,不仅可以提高可靠性、延长寿命和改善外观,还可以减少质量及提高燃料燃烧效率。钛制排气系统与钢制排气系统相比,质量可减少约40%。在Golf系列汽车中,钛制排气系统质量可减少7~9kg,目前排气系统使用的钛材主要为工业纯钛。

钛制消声器质量只有5~6kg,比不锈钢等消声器轻。2000款雪佛莱CorvetteZ06汽车上用一个11.8kg的钛消声器和尾气管系统代替原来20kg的不锈钢系统,质量减轻了41%。替代后的系统强度不变,并使汽车速度更快、操作更灵活及节约燃料。消声器使用的钛材同样主要是工业纯钛。

1.7 车体框架部分

为了提高汽车的安全性和可靠性,需要从设计和制造方面,尤其是制造材料方面进行考虑。钛是一种用来制造车体框架很好的材料,其不仅比强度较高,还具有良好的韧性。在日本,汽车生产厂商选择纯钛金属焊接管制作车身框架,这种框架能够使得驾车者在驾驶时具有足够的安全感。

1.8 其他钛合金部件

除了以上几种部件,钛还应用于发动机摇臂、悬挂弹簧、发动机活塞销、车用紧固件、挂耳螺帽、汽车门突入梁、汽车挡支架、制动器卡钳活塞、销轴栓、压力板、变速按钮及汽车离合器圆板等汽车零件。

2.钛合金的应用

2.1 优点

   钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点,故被广泛应用在汽车工业中,应用钛合金最多的是汽车发动机系统。利用钛合金制造发动机零件有很多好处,主要表现在:

1)钛合金的密度低,可以降低运动零件的惯性质量,同时钛气门弹簧可以增加自由振动,减弱车身的振颤,提高发动机的转速及输出功率。

2)减小运动零件的惯性质量,从而使摩擦力减小,提高发动机的燃油效率。

3)选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力,缩小零件的尺寸,从而使发动机及整车的质量减轻。

4)零部件惯性质量的降低,使得振动和噪声减弱,改善发动机的性能。

钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和汽车的美观等。在汽车工业上的应用,钛合金在节能降耗方面起到了不可估量的作用。

2.2 应用限制

钛合金零部件尽管具有如此优越的性能,但距钛及其合金普遍应用在汽车工业中还有很大的距离,原因包括价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题。

随着近年来钛合金近净成形技术及电子束焊、等离子弧焊、激光焊等现代焊接技术的发展,钛合金的成形及焊接问题已不再是制约钛合金应用的关键因素,阻碍钛合金普遍应用于汽车工业的最主要原因还是成本过高。

无论是金属最初的冶炼还是后续的加工,钛合金的价格都远远高于其他金属。汽车工业能够接受的钛制零件成本,用连杆钛材8~13美元/千克,气阀用钛材13~20美元/千克,弹簧、发动机排气系统及紧固件用钛材希望在8美元/千克以下。而目前用钛材料生产的零件成本比这些价格高了很多,钛板材的生产成本大多数高于33美元/千克,是铝板材的6~15倍,钢板材的45~83倍。

二、3D打印在汽车行业的运用

3D打印,大家的第一印象可能都是各种塑料的打印物品。主要原因是目前最普及的桌面级3D打印机基本都采用了熔融沉积成型技术(FDM),材料多为PLA、ABS这样的塑料。目前制备金属的3D打印技术主要有:选择性激光烧结(SLS)、电子束选区熔化(EBSM)、激光近净成形(LENS)等。

现在,不少汽车厂商在研发阶段会使用3D打印来制作零件原型,进行工业验证,对设计进行修改。当然,也有不少企业已经在尝试将3D打印用于制造汽车。汽车使用的金属零件中,有锻造的,也有铸造的,其中铸造的占大多数。锻造件的力学性能,刚性都更好,一般用于重要部件。铸造件的力学性能没有锻造件好,一般是非重要部件使用。而目前的金属3D打印件的抗剪切性能相对较差,但其它性能应该比铸造件更好一些,只是比不上锻造件。

因此很多汽车零件是可以使用金属3D打印的零件。之前谷歌、宝马等几家巨头公司投资了金属3D打印公司Desktop Metal。宝马希望能够加速金属3D打印在汽车制造领域的应用。

1.3D打印在汽车行业的应用范围

1)首先3D打印可以应用在整车造型上,通过这个工艺可以1:1全尺寸按着设计师的要求打造。整车开发中需要对汽车的外形、内饰等外观造型进行设计、评审和确定。

2)通过3D打印可以对设计进行验证,对产品的可靠性(安装结构、零件匹配、结构强度等)进行验证,同时也为了弥补整车试验处于整车开发中后期带来的设计风险,需要在设计前期进行验证。

3)同样面对一些结构复杂零件,无法采用传统的制造工艺进行制造,或者常规制造成本非常高昂,那么运用3D打印工艺可以很好地解决。

4)汽车轻量化在产品开发中占据了举足轻重的位置,有了3D打印技术,使得塑料乃至金属制造中的轻量化结构零件成为了可能,而不再靠单一的传统工艺。

5)通过3D打印技术,除了在汽车的零部件上,生产线上的装配零件、测量工具、检具也同样适用。

2.3D打印在汽车行业的优势

一辆汽车从产品规划到投放市场经历一段相当长的时间,一个全新的产品的开发最长需要经历57个月。而之前还需要更长的时间进行技术研究。通过3D打印工艺,可以大大缩短生产周期。企业可以提高效率。其次,可以通过在开发过程中,更加注重产品的可靠性。再次,可以解决产品生产过程的限制问题,比如说某些零件通过传统工艺达不到。在成本上,降低产品开发费用,无需制造磨具和特定的生产线。最后,可以实现汽车产品的个性化,适宜小批量个性化制造。

3.3D打印在汽车行业的不足

3D打印仍然处于研发阶段,没有达到成熟的程度,短时间内还不能代替传统工艺。表面质量尚有差距,需要抛光、染色、电镀、喷漆等后续处理。材料上的选用也仍有局限性。目前,整体产业链尚不成熟。

结语

新一代汽车设计更重视车身的轻量化、燃料的低消耗、发动机的低噪声及轻振动,以满足环境日益苛刻的要求。在这种背景下,轻金属钛将成为未来汽车的一种主要应用选择材料。钛合金最终将在汽车工业生产中占有重要的地位。3D打印作为一种新型工艺,也正在服务于汽车产业。

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