應(yīng)用鈦合金部件的驅(qū)動力及發(fā)展趨勢

鈦合金的密度4.51g/cm3，大致為鋼密度的1/2，是實(shí)際工程應(yīng)用中很輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。通過在乘用車中批量應(yīng)用鈦合金鑄件可以有效地降低整車重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)目前的通用計(jì)算方法乘用車總質(zhì)量每減輕100kg，燃油耗可降低5%。如果每輛汽車使用70kg鈦合金部件，CO2年排放量能減少30％以上。與目前汽車輕量化材料相互替代過程中，鋁合金和工程塑料獲得廣泛應(yīng)用相比，鈦合金部件明顯落后。在目前汽車零部件一級供應(yīng)商中，只有極少數(shù)公司供應(yīng)鈦合金產(chǎn)品。鈦合金部件的全過程總成本的比較，包括材料、制造、防腐、連接裝配、維修等方面的原因是制約其廣泛應(yīng)用的重要因素，其中如何保障鈦合金部件與其它部件可靠地連接是其中一個重要的障礙。

隨著節(jié)能環(huán)保要求的逐步嚴(yán)格，從A級車到C級車都面臨著減低整車重量，減小排放以滿足環(huán)保要求。根據(jù)歐盟法規(guī)，在2020年乘用車的CO2排放將從2015年的130g/km下降至95g/km，這就意味著燃油消耗必須從目前的水平下降25%才能夠滿足需求。提高發(fā)動機(jī)的燃燒效率，減小整車重量，減小空氣阻力，減小滾動阻力和減小摩擦等方法均被用來降低燃油消耗。在上述方法中，降低整車重量大致可以降低燃油消耗9%。為了最大限度地降低整車重量，大型集成結(jié)構(gòu)的鈦合金部件的應(yīng)用就成為汽車輕量化工作中的一個重要的研究與開發(fā)方向。

鈦合金中通道鑄件連接技術(shù)開發(fā)。鑄件需要通過螺紋和螺柱兩種連接方式與周圍的部件進(jìn)行連接。按照一般部件的連接方式考慮，螺紋連接可以通過在鑄件上加工螺紋孔的方式形成連接；通過在鑄件上焊接螺柱的方式形成螺柱連接。然而，對大型鈦合金鑄件進(jìn)行螺紋加工，不僅容易出現(xiàn)加工廢品，而且會顯著增加生產(chǎn)成本，導(dǎo)致客戶無法接受鑄件的價(jià)格。由于鈦合金鑄件的可焊性較差，焊接螺柱幾乎沒有可能實(shí)現(xiàn)。

通過在鑄件上預(yù)設(shè)孔，并應(yīng)用帶有螺紋的彈簧夾片的方式解決了螺紋連接問題。如何實(shí)現(xiàn)螺柱的連接則是一個比較困難的問題，先后考慮了多種技術(shù)方案。焊接：考慮到可焊性的問題，焊接方案被放棄；結(jié)構(gòu)膠：考慮采用結(jié)構(gòu)膠粘接方案可能會出現(xiàn)疲勞和底紋脆性問題，沒有采用此方案。鑲鑄：在鈦合金方向盤骨架的生產(chǎn)中曾經(jīng)廣泛采用過鑲鑄工藝，但是直接鑲鑄螺柱的成功概率和強(qiáng)度都不高，而且模具比較復(fù)雜，下鑲件時(shí)會顯著影響生產(chǎn)效率。預(yù)鑄安裝孔：安裝孔公差不易控制，可能還需要機(jī)械加工。自沖鉚連接：預(yù)鑄孔尺寸要求不高，可應(yīng)用涂層防止電偶腐蝕，可以較好地滿足螺柱的連接強(qiáng)度和尺寸精度要求，最終選擇此方法完成了螺柱的連接設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鑄件的批量生產(chǎn)。

隨著輕量化車身開發(fā)的迫切，越來越多的連接方式被開發(fā)出來。總體上來說，車身的連接技術(shù)可以分為熱連接和冷連接兩種方式。熱連接主要包括MIG焊、電阻焊和激光焊等方法，冷連接主要包括粘接、自攻螺釘和自沖鉚接等方法。目前大型鈦合金鑄件的主要生產(chǎn)工藝是高壓鑄造，鑄件內(nèi)部不可避免的含有少量氣體，加之考慮到鈦合金易于氧化的特性及較低的電極電位，采用焊接方式進(jìn)行連接難以實(shí)現(xiàn)。冷連接成為鈦合金部件主要的連接方式，如何合理的選擇連接方式以獲得良好的連接強(qiáng)度并避免連接電偶腐蝕問題就成為目前開發(fā)的重點(diǎn)。