Titāna sakausējumu pielietojuma statuss automobiļu rūpniecībā

Pēdējos gados, strauji attīstoties automobiļu rūpniecībai, arvien lielāku uzmanību ir piesaistījuši automobiļu radītie degvielas patēriņa, vides aizsardzības un drošības jautājumi. Raugoties uz turpmāko autobūves attīstības virzienu, attīstības tēmas ir viegls svars, zems degvielas patēriņš un zems izmešu daudzums. Saskaņā ar starptautisku autoritatīvu departamentu statistiku 60% no automašīnas degvielas sadegšanas enerģijas patērē pēc paša svara. Lai gan augstas stiprības plānās tērauda plāksnes, alumīnijs, magnijs, kompozītmateriāli uz metāla bāzes un plastmasas sveķu materiāli ir palīdzējuši samazināt automašīnu svaru, rūpniecisko titāna materiālu parādīšanās ir padarījusi automašīnu ražošanu par labāku izvēli.

Titāna metāla priekšrocības ir zems blīvums, augsta īpatnējā izturība un laba izturība pret koroziju. Titāna materiālu izmantošana automašīnās var ievērojami samazināt automašīnas virsbūves svaru, samazināt degvielas patēriņu, uzlabot dzinēja darba efektivitāti, uzlabot vidi un samazināt troksni. Tomēr dārgās cenas dēļ titāna sakausējumus var izmantot tikai luksusa modeļos un sporta automašīnās automobiļu rūpniecībā, bet reti – parastajās automašīnās. Tāpēc lēto titāna sakausējumu izpēte un izstrāde, kas atbilst tirgus vajadzībām, ir galvenais, lai veicinātu to pielietojumu parastās sadzīves automašīnās.

 

Pašreizējais titāna sakausējumu pielietojuma statuss automobiļu rūpniecībā
Lai gan titāna sakausējumi ir plaši izmantoti kosmosa, naftas ķīmijas un kuģu būves nozarēs, to pielietojums automobiļu rūpniecībā ir attīstījies lēni. Kopš 1956. gadā ASV General Motors veiksmīgi izstrādāja pirmo pilnībā titāna automašīnu, titāna automobiļu daļas masveida ražošanas līmeni sasniedza tikai 80. gados. Deviņdesmitajos gados, pieaugot pieprasījumam pēc luksusa automašīnām, sporta automašīnām un sacīkšu automašīnām, titāna detaļas ir strauji attīstījušās. 1990. gadā automobiļos izmantotā titāna daudzums visā pasaulē bija tikai 50 tonnas, kas sasniedza 500 tonnas 1997. gadā, 1100 tonnas 2002. gadā un 3000 tonnas 2009. gadā. Paredzams, ka automobiļos izmantotā titāna daudzums visā pasaulē pārsniegs 50000. 2015. gadā. Pašlaik parasti tiek izmantotas šādas titāna sakausējuma detaļas.

1. Dzinēja klaņi
Titāna sakausējums ir ideāla izvēle klaņu materiāliem. Dzinēja klaņi, kas izgatavoti no titāna sakausējuma, var efektīvi samazināt dzinēja svaru, uzlabot degvielas efektivitāti un samazināt izplūdes gāzu daudzumu. Salīdzinot ar tērauda klaņi, titāna klaņi var samazināt svaru par 15% līdz 20%. Titāna sakausējuma klaņu pielietojums pirmo reizi tika atspoguļots jaunajos Ferrari 3.5LV8 un Acura NSX dzinējos Itālijā. Materiāli titāna sakausējuma klaņi galvenokārt ir Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V un Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si un citi titāna sakausējuma materiāli, piemēram, Ti-4Al{{19} }Si-4Mn un Ti-7M-4Mo tiek izstrādāti arī izmantošanai klaņi.

2. Dzinēja vārsti
Automobiļu dzinēju vārsti, kas izgatavoti no titāna sakausējumiem, var ne tikai samazināt svaru un pagarināt kalpošanas laiku, bet arī samazināt degvielas patēriņu un uzlabot automašīnu uzticamību. Salīdzinot ar tērauda vārstiem, titāna vārsti var samazināt svaru 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 veiktspēju, 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, kam ir tādas pašas īpašības kā 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 oksidācijas izturības temperatūra var sasniegt 600 grādus.
3) Izplūdes vārstu var izgatavot no -TiAl, kam piemīt augstas temperatūras izturības un vieglā svara īpašības, taču tas nav piemērots apstrādei ar tradicionālajām kalšanas metodēm, un ir piemērots tikai liešanai un pulvermetalurģijai.

 

3. Vārsta atsperes ligzda

Augsta izturība un izturība pret nogurumu ir īpašības, kurām jābūt vārstu atsperu ligzdām. titāna sakausējums ir termiski apstrādājams sakausējums, kas var iegūt augstu stiprību, apstrādājot cietā šķīdumā. Atbilstoši piemērotākie materiāli ir Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn un Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors sērijveidā ražotajās automašīnās izmanto Ti-22V-4Al titāna sakausējuma vārstu atsperu sēdekļus, kas samazina masu par 42% salīdzinājumā ar oriģinālo tērauda slēdzeni, samazina vārsta mehānisma inerciālo masu. par 6%, un palielina maksimālo dzinēja apgriezienu skaitu par 300r/min.

 

4. Titāna sakausējuma atsperes

Titānam un tā sakausējumiem ir zemāks elastības modulis nekā tērauda materiāliem, liela σs/E vērtība, un tie ir piemēroti elastīgu komponentu ražošanai. Salīdzinot ar automašīnu tērauda atsperēm, tā paša elastīgā darba pieņēmumā titāna atsperu augstums ir tikai 40% no tērauda atsperu augstuma, bet masa ir tikai 30% līdz 40% no tērauda atsperu augstuma, kas ir ērti virsbūves dizains. Turklāt titāna sakausējumu lieliskā noguruma veiktspēja un izturība pret koroziju var palielināt atsperu kalpošanas laiku. Pašlaik titāna sakausējuma materiāli, ko var izmantot automašīnu atsperu ražošanai, ir Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al un Ti-13V11C-3Al.

 

5. Turbokompresors

Turbokompresori var uzlabot dzinēju sadegšanas efektivitāti un palielināt dzinēju jaudu un griezes momentu. Turbokompresora turbīnas rotoram ilgstoši jāstrādā augstas temperatūras izplūdes gāzēs virs 850 grādiem, tāpēc tam ir nepieciešama laba karstumizturība. Tradicionālos vieglos metālus, piemēram, alumīnija sakausējumu, 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 augsto izmaksu un nespējas optimizēt formu dēļ. Lai atrisinātu šīs problēmas, Tetsui et al. izstrādāja TiAl turbīnas rotoru. Pēc daudziem testiem un pārbaudēm 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 lielos daudzumos izmanto automašīnu izplūdes sistēmā. 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 svaru var samazināt par 7 līdz 9 kg. Pašlaik izplūdes sistēmā izmantotais titāns galvenokārt ir rūpnieciski tīrs titāns.

Titāna trokšņa slāpētāja svars ir tikai 5 līdz 6 kg, kas ir vieglāks par nerūsējošā tērauda trokšņa slāpētājiem. 2000. gada Chevrolet Corvette Z06 izmanto 11,8 kg titāna trokšņa slāpētāju un izpūtēja sistēmu, lai aizstātu oriģinālo 20 kg smago nerūsējošā tērauda sistēmu, tādējādi samazinot svaru par 41%. Nomainītās sistēmas stiprums paliek nemainīgs, un automašīna ir ātrāka, elastīgāka un taupīgāka. Izpūtējā izmantotais titāns arī galvenokārt ir rūpnieciski tīrs titāns.

 

7. Korpusa rāmis

Lai uzlabotu automašīnas drošību un uzticamību, ir jāņem vērā dizaina un ražošanas aspekti, īpaši ražošanas materiāli. Titāns ir labs materiāls virsbūves rāmju izgatavošanai. Tam ir ne tikai augsta īpatnējā izturība, bet arī laba izturība. Japānā autoražotāji virsbūves karkasu izgatavošanai izvēlas tīra titāna metāla metinātas caurules, kas var likt autovadītājiem justies pietiekami droši braucot.

 

8. Citas titāna sakausējuma detaļas

Papildus iepriekš minētajām detaļām titānu izmanto arī dzinēja sviru svirās, balstiekārtas atsperēs, dzinēja virzuļu tapās, automobiļu stiprinājuma elementos, uzgriežņos, automašīnu durvju izvirzītajās sijās, automašīnu apturēšanas kronšteinos, bremžu suportu virzuļos, tapu skrūvēs, spiediena plāksnēs, pārslēgšanas pogās. un automobiļu sajūga diski un citas automobiļu daļas. Jaunās paaudzes automobiļu konstrukcijās lielāka uzmanība tiek pievērsta vieglajam korpusam, zemam degvielas patēriņam, zemam trokšņa līmenim un vieglai dzinēja vibrācijai, lai atbilstu arvien stingrākajām vides prasībām. Šajā kontekstā vieglmetāla titāns kļūs par galveno pielietojuma materiālu nākotnes automobiļiem.