Titāna sakausējums ir vadošais automobiļu tehnoloģiju jomā

Titāna metāla priekšrocības ir zems blīvums, augsta īpatnējā izturība un laba izturība pret koroziju. Titāna materiālu izmantošana automašīnās var ievērojami samazināt ķermeņa masu, samazināt degvielas patēriņu, uzlabot dzinēja efektivitāti, uzlabot vidi un samazināt troksni. Tomēr augstās cenas dēļ titāna sakausējumus var izmantot tikai luksusa modeļos un sporta automašīnās automobiļu rūpniecībā, un tos reti izmanto parastajās automašīnās. Tāpēc tirgus vajadzībām atbilstošu zemu izmaksu titāna sakausējumu izpēte un izstrāde ir galvenais, lai veicinātu to pielietojumu parastās sadzīves automašīnās.

Lai gan titāna sakausējumi ir plaši izmantoti kosmosa, naftas ķīmijas un kuģu būves nozarēs, to pielietojums automobiļu rūpniecībā ir attīstījies lēni. Sākot no pirmās pilnībā titāna automašīnas veiksmīgas izstrādes, ko 1956. gadā ASV veica General Motors, titāna automobiļu daļas nesasniedza masveida ražošanas līmeni līdz 80. gadiem. Deviņdesmitajos gados, kad pieprasījums pēc luksusa automašīnām, sporta automašīnām un sacīkšu automašīnām gadu no gada pieauga, titāna auto daļas Ražotās detaļas ir strauji attīstījušās. 1990. gadā titāna daudzums, ko izmantoja automašīnās visā pasaulē, bija tikai 50 t. 1997. gadā tas sasniedza 500t. 2002. gadā tas sasniedza 1100 t. 2009. gadā tas sasniedza 3,000t. Paredzams, ka 2015. gadā visā pasaulē automobiļos izmantotā titāna daudzums pārsniegs 5,{15}}t. Pašlaik parasti tiek izmantotas šāda veida titāna sakausējuma detaļas.

1. Dzinēja klaņi
Titāna sakausējums ir ideāls materiāls klaņi. Dzinēja klaņi, kas izgatavoti no titāna sakausējuma, var efektīvi samazināt dzinēja masu, uzlabot degvielas efektivitāti un samazināt izplūdes gāzu daudzumu. Salīdzinot ar tērauda klaņi, titāna klaņi var samazināt masu par 15% līdz 20%. Titāna sakausējuma klaņi vispirms tika izmantoti Itālijas jaunajā Ferrari sedanā 3.5LV8 un Acura NSX dzinējā. Galvenie materiāli, ko izmanto titāna sakausējuma klaņi ir Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V un Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Citi titāna sakausējuma materiāli, piemēram, Ti-4Al. Tiek izstrādāts arī -2Si-4Mn un Ti-7M-4Mo pielietojums savienojošos stieņos.
2. Dzinēja vārsts
Automobiļu dzinēju vārsti, kas izgatavoti no titāna sakausējuma, var ne tikai samazināt masu un pagarināt kalpošanas laiku, bet arī samazināt degvielas patēriņu un uzlabot transportlīdzekļa uzticamību. Salīdzinot ar tērauda vārstiem, titāna vārsti var samazināt masu par 30% līdz 40%, un dzinēja apgriezienu skaitu var palielināt par 20%. Ciktāl tas attiecas uz pašreizējiem lietojumiem, ieplūdes vārsta materiāls galvenokārt ir Ti-6Al-4V, un izplūdes vārsta materiāls galvenokārt ir Ti-6242S. Parasti Sn un Al tiek pievienoti kopā, lai iegūtu mazāku trauslumu un lielāku stiprību; Mo pievienošana var uzlabot titāna sakausējumu termiskās apstrādes īpašības, uzlabot titāna sakausējumu rūdīšanas un novecošanas izturību un palielināt cietību. Citi titāna sakausējumi ar attīstības potenciālu ir:
1) Ieplūdes vārstu var izgatavot no Ti-62S, kura īpašības ir līdzvērtīgas Ti-6Al-4V, un tas ir lētāks.
2) Izplūdes vārstu var izgatavot no Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. Zemāka Mo satura dēļ tā šļūdes pretestība ir labāka nekā Ti-6242S, un tā oksidācijas pretestība var sasniegt 600 grādus. .
3) Izplūdes vārstu var izgatavot no -TiAl, kam piemīt augstas temperatūras izturības un vieglā svara īpašības, taču tas nav piemērots tradicionālajām kalšanas metodēm apstrādes laikā. Tas ir piemērots tikai liešanai un pulvermetalurģijas apstrādei.
3. Vārsta atsperes ligzda
Augsta izturība un noguruma pretestība ir obligātas vārsta atsperes ligzdas īpašības. Beta titāna sakausējums ir termiski apstrādāts sakausējums, kas var iegūt augstu stiprību, apstrādājot cietā šķīdumā. Atbilstošie piemērotākie materiāli ir Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn un Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors savos lielapjoma ražošanas transportlīdzekļos izmanto Ti-22V-4Al titāna sakausējuma vārstu atsperu ligzdas, kas samazina masu par 42% salīdzinājumā ar oriģinālajām tērauda slēdzenēm, samazina vārsta inerciālo masu. mehānismu par 6%, un palielina maksimālo motora apgriezienu skaitu. 300 apgr./min.
4.Titāna sakausējuma atspere
Titānam un tā sakausējumiem ir zemāks elastības modulis un lielāka σs/E vērtība nekā tērauda materiāliem, tādēļ tie ir piemēroti elastīgo komponentu ražošanai. Salīdzinot ar automašīnu tērauda atsperēm, tā paša elastīgā darba pieņēmumā titāna atsperu augstums ir tikai 40% no tērauda atsperēm, bet masa ir tikai 30% līdz 40% no tērauda atsperēm, kas atvieglo automašīnas virsbūves dizainu. Turklāt titāna sakausējuma lieliskās noguruma īpašības un izturība pret koroziju var pagarināt atsperes kalpošanas laiku. Pašlaik titāna sakausējuma materiāli, ko var izmantot automašīnu atsperu izgatavošanai, ir Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al un Ti-13V11C-3Al.
5. Turbokompresors
Turbokompresori var uzlabot dzinēja sadegšanas efektivitāti un palielināt dzinēja jaudu un griezes momentu. Turbokompresora turbīnas rotoram ir nepieciešams ilgstoši strādāt augstas temperatūras izplūdes gāzēs virs 850 grādiem, tāpēc tam nepieciešama laba karstumizturība. Tradicionālos vieglos metālus, piemēram, alumīnija sakausējumus, nevar izmantot to zemās kušanas temperatūras dēļ. Lai gan keramikas materiāli tiek izmantoti turbīnu rotoru mazā svara un labas augstas temperatūras izturības dēļ, to pielietojums ir ierobežots to augsto izmaksu un nespējas optimizēt formu dēļ. Lai atrisinātu šīs problēmas, Tetsui un citi izstrādāja TiAl turbīnas rotoru. Pēc daudziem testiem ir pierādīts, ka tam ir ne tikai laba izturība un efektivitāte, bet arī tas var uzlabot dzinēja paātrinājumu. Šis dizains ir veiksmīgi komercializēts Mitsubishi Lancer Evolution sērijā.
6. Izplūdes sistēma un trokšņa slāpētājs
Titānu plaši izmanto automašīnu izplūdes sistēmās. No titāna un tā sakausējumiem izgatavotās izplūdes sistēmas var ne tikai uzlabot uzticamību, pagarināt kalpošanas laiku un uzlabot izskatu, bet arī samazināt masu un uzlabot degvielas sadegšanas efektivitāti. Salīdzinot ar tērauda izplūdes sistēmām, titāna izplūdes sistēmas var samazināt masu par aptuveni 40%. Golf sērijas automašīnās titāna izplūdes sistēmas masu var samazināt par 7 līdz 9 kg. Pašlaik izplūdes sistēmā izmantotais titāna materiāls galvenokārt ir rūpnieciski tīrs titāns.
Titāna trokšņa slāpētājs sver tikai 5 līdz 6 kg, kas ir vieglāks par nerūsējošā tērauda un citiem trokšņa slāpētājiem. 2000. gada Chevrolet Corvette Z06 izmanto 11,8 kg titāna trokšņa slāpētāju un izplūdes cauruļu sistēmu sākotnējās 20 kg nerūsējošā tērauda sistēmas vietā, samazinot masu par 41%. Nomainītā sistēma saglabā savu izturību un padara automašīnu ātrāku, elastīgāku un efektīvāku degvielas patēriņu. Izpūtējā izmantotais titāna materiāls arī galvenokārt ir rūpnieciski tīrs titāns.
7. Korpusa rāmja daļa
Lai uzlabotu automašīnu drošību un uzticamību, ir jāņem vērā dizaina un ražošanas aspekti, īpaši ražošanas materiāli. Titāns ir ļoti labs materiāls, ko izmanto automašīnu virsbūves rāmju izgatavošanai. Tam ir ne tikai augsta īpatnējā izturība, bet arī laba izturība. Japānā automašīnu ražotāji virsbūves rāmju izgatavošanai izvēlas tīra titāna metinātas caurules. Šāda veida rāmis var likt vadītājiem justies droši braukšanas laikā.
8. Citas titāna sakausējuma detaļas
Papildus iepriekšminētajām sastāvdaļām titānu izmanto arī dzinēja sviru svirās, balstiekārtas atsperēs, dzinēja virzuļu tapās, automobiļu stiprinājumos, uzgriežņos, automašīnu durvju izvirzītajās sijās, automobiļu zobratu kronšteinos, bremžu suportu virzuļos, tapu skrūvēs, spiedienā Auto detaļās, piemēram, plāksnes, pārslēgšanas pogas un automašīnu sajūga diski.

1. Priekšrocības

Titāna sakausējumu priekšrocības ir viegls svars, augsta īpatnējā izturība un laba izturība pret koroziju, tāpēc tos plaši izmanto automobiļu rūpniecībā. Visbiežāk titāna sakausējumus izmanto automašīnu dzinēju sistēmās. Titāna sakausējumu izmantošanai dzinēja detaļu ražošanā ir daudz priekšrocību, kas galvenokārt atspoguļojas:
1) Titāna sakausējuma zemais blīvums var samazināt kustīgo daļu inerciālo masu. Tajā pašā laikā titāna vārstu atsperes var palielināt brīvo vibrāciju, vājināt korpusa vibrāciju un palielināt dzinēja apgriezienu skaitu un izejas jaudu.
2) Samaziniet kustīgo daļu inerciālo masu, tādējādi samazinot berzi un uzlabojot dzinēja degvielas efektivitāti.
3) Izvēloties titāna sakausējumu, var samazināt saistīto detaļu slodzes stresu un samazināt detaļu izmērus, tādējādi samazinot dzinēja un visa transportlīdzekļa svaru.
4) Komponentu inerciālās masas samazināšana samazina vibrāciju un troksni un uzlabo dzinēja veiktspēju.
Titāna sakausējumu izmantošana citos komponentos var uzlabot personāla komfortu un automašīnu estētiku. Lietojot automobiļu rūpniecībā, titāna sakausējumiem ir bijusi neizmērojama loma enerģijas taupīšanā un patēriņa samazināšanā.
2. Pielietošanas ierobežojumi
Lai gan titāna sakausējuma detaļām ir tik izcilas īpašības, vēl ir daudz darāmā, līdz titāns un tā sakausējumi tiek plaši izmantoti automobiļu rūpniecībā. Iemesli ir augstā cena, slikta formējamība un slikta metināšanas veiktspēja.
Pēdējos gados attīstoties titāna sakausējuma tuvu tīkla formai tehnoloģijai un modernām metināšanas tehnoloģijām, piemēram, elektronu staru metināšanai, plazmas loka metināšanai un lāzermetināšanai, titāna sakausējumu formēšanas un metināšanas problēmas vairs nav galvenie faktori, kas ierobežo titāna izmantošanu. sakausējumi. Galvenais iemesls, kāpēc to plaši izmanto automobiļu rūpniecībā, ir augstās izmaksas.
Neatkarīgi no tā, vai tā ir metāla sākotnējā kausēšana vai vēlāka apstrāde, titāna sakausējumu cena ir daudz augstāka nekā citiem metāliem. Titāna detaļu izmaksas, ko automobiļu rūpniecība var pieņemt, ir no 8 līdz 13 ASV dolāriem/kg par klaņi, no 13 līdz 20 ASV dolāriem par vārstiem un 8 par atsperēm, dzinēja izplūdes sistēmām un stiprinājumiem. Zem USD/kg. No titāna materiāliem ražoto detaļu pašreizējās izmaksas ir daudz augstākas nekā šīs cenas. Titāna plākšņu ražošanas izmaksas lielākoties ir augstākas par 33 ASV dolāriem/kg, kas ir 6 līdz 15 reizes lielākas nekā alumīnija plāksnēm un 45 līdz 83 reizes lielākas nekā tērauda plāksnēm.
Titāna sakausējumu izpētes statuss automašīnām

bilde
Pašlaik izmaksu samazināšana ir galvenais autobūves nozarē izmantoto titāna sakausējumu pētniecības virziens. Ņemot vērā automobiļu rūpniecībā izmantoto titāna sakausējumu izmaksu sadalījuma īpatnības, materiālu izpētes un izstrādes darbinieki galvenokārt sasniedz mērķi samazināt izmaksas no šādiem diviem aspektiem: jaunu zemu izmaksu sakausējumu sistēmu izstrāde un jaunu apstrādes un sagatavošanas tehnoloģiju izmantošana. .

1. Jauna zemu izmaksu titāna sakausējuma sistēma
Strādnieki no dažādām valstīm izstrādā jaunas zemu izmaksu titāna sakausējuma sistēmas, galvenokārt koncentrējoties uz šādiem aspektiem: sakausējuma dizains, izmantojot lētus sakausējuma elementus, un sakausējuma dizains, lai uzlabotu apstrādes īpašības. To vidū ir pārstāvēta Japāna un ASV. mana valsts ir arī veiksmīgi izstrādājusi divus zemu izmaksu titāna sakausējumus, proti, Ti8LC un Ti12LC. Izstrādājot lētu titāna sakausējuma komponentus transportlīdzekļiem, parasti tiek izmantoti lēti sakausējuma elementi, piemēram, Fe, Cr, Si, Al utt.
2. Jauna apstrādes un sagatavošanas tehnoloģija
Titāna sakausējuma materiālu apstrādes izmaksas veido vairāk nekā 60% no kopējām ražošanas procesa izmaksām. Tāpēc izmaksu samazināšanas ziņā titāna sakausējuma apstrādes izmaksu samazināšana ir kļuvusi par galveno pētniecības virzienu. Pētījumi šajā jomā galvenokārt ir sadalīti divos aspektos: viens ir tradicionālā liešanas un kalšanas procesa uzlabošana, bet otrs ir pulvermetalurģijas gandrīz tīkla formas tehnoloģijas ieviešana.
Jaunu kalšanas procesu izstrādē aukstā kalšana šobrīd ir viena no perspektīvākajām metodēm automobiļu detaļu ražošanā no titāna sakausējumiem. Beta titāna sakausējumam ir zema deformācijas izturība istabas temperatūrā, un tas ir labs griešanai un formēšanai. Tas ir materiāls, ko var auksti kalt. Pašlaik Japāna ir izstrādājusi trīs auksti deformētus beta titāna sakausējumus. Beta titāna sakausējumam ir arī daži trūkumi. Tas ir pakļauts nevienmērīgai deformācijai aukstās kalšanas laikā un viegli pielīp pie veidnes. Tāpēc beta titāna sakausējuma detaļu masveida ražošanai, izmantojot aukstās kalšanas tehnoloģiju, ir nepieciešama turpmāka izpēte un attīstība.
Pulvermetalurģija ir ļoti svarīga tehnoloģija titāna sakausējuma apstrādes izmaksu samazināšanai. Pulvermetalurģijas automobiļu detaļu ražošanā joprojām dominē tradicionālā presēšanas-saķepināšanas metode, kas galvenokārt ietver elementārā pulvera metodi (BE) un iepriekš leģētā pulvera metodi (PA). Pašlaik elementārā pulvera metode ir visplašāk izmantotā zemo izmaksu automobiļu titāna sakausējuma pulvermetalurģijas jomā tās vienkāršā procesa un zemāko izmaksu dēļ. Pēdējos gados ir parādījušās arī citas pulvermetalurģijas tehnoloģijas, tostarp lāzerformēšanas tehnoloģija, metāla pulvera iesmidzināšana (MIM) un citas tehnoloģijas. Tie ir plaši izmantoti izmēģinājuma ražošanā un sarežģītu automobiļu detaļu ražošanā, kas var ievērojami saīsināt produktu izstrādi. un ražošanas ciklu, vēl vairāk samazinot izmaksas.
Secinājums
Jaunās paaudzes automobiļu dizains vairāk uzmanības pievērš vieglajam virsbūvei, zemam degvielas patēriņam, zemam trokšņa līmenim un vieglai dzinēja vibrācijai, lai atbilstu arvien prasīgākajām vides prasībām. Šajā kontekstā vieglmetāla titāns kļūs par galveno pielietojuma materiālu nākotnes automobiļiem.
Visaptveroši apsverot pašreizējo transportlīdzekļiem paredzēto zemo izmaksu titāna sakausējumu izpētes statusu, var secināt, ka, lai vēl vairāk samazinātu transportlīdzekļiem paredzēto titāna sakausējumu izmaksas, pētniecībā galvenokārt jākoncentrējas uz šādiem aspektiem:
1) Runājot par zemu izmaksu sakausējumu sistēmu izstrādi, mēģiniet izstrādāt sakausējumu sistēmas, kurās netiek izmantoti vai lētāki sakausējuma elementi, neietekmējot veiktspēju, un tajā pašā laikā pilnībā izmanto pārstrādātus titāna sakausējumus.
2) Liešanas un kalšanas procesa attīstības ziņā attīstīties beta titāna sakausējumu un auksti deformētu titāna sakausējumu izstrādes virzienā un veikt to masveida ražošanas priekšizpēti.
3) Pulvermetalurģijas ziņā, vienlaikus nodrošinot zemo izmaksu priekšrocības, ir nepieciešams arī turpināt uzlabot titāna detaļu veiktspēju.
Attīstoties ekonomikai un samazinoties titāna izmaksām, arvien vairāk inženieru dizaineru izvēlēsies titāna detaļas kā automobiļu daļas. Titāna sakausējumiem galu galā būs svarīga loma automobiļu rūpniecības ražošanā.