Statut d'application de l'alliage de titane dans l'industrie automobile
Ces dernières années, avec le développement rapide de l'industrie automobile, les problèmes de consommation de carburant, de protection de l'environnement et de sécurité générés par les automobiles ont fait l'objet de plus en plus d'attention. Dans l'attente de l'orientation future du développement de l'industrie automobile, la légèreté, la faible consommation de carburant et la réduction des émissions sont les thèmes de développement. Selon les statistiques des autorités internationales, 60 % de l'énergie de combustion du carburant de l'automobile est consommée dans sa propre qualité, bien que les tôles d'acier à haute résistance actuelles, l'aluminium, le magnésium, les matériaux composites à matrice métallique et les matériaux à base de résine plastique aient joué un rôle important. rôle dans la réduction du poids de l'automobile, mais l'émergence de matériaux industriels en titane fait que la construction automobile a un meilleur choix.
Le métal titane présente les avantages d'une faible densité, d'une résistance spécifique élevée et d'une bonne résistance à la corrosion, et l'utilisation de matériaux en titane dans les automobiles peut réduire considérablement la qualité de la carrosserie, réduire la consommation de carburant, améliorer l'efficacité de fonctionnement du moteur, améliorer l'environnement et réduire le bruit. . Cependant, le prix élevé fait que l'alliage de titane utilisé dans l'industrie automobile ne peut avoir que quelques applications dans les modèles de luxe et les voitures de sport, et peu d'applications dans les voitures ordinaires. Par conséquent, la recherche et le développement d’alliages de titane à faible coût répondant aux besoins du marché sont la clé pour promouvoir son application dans les véhicules domestiques ordinaires.
Statut d'application de l'alliage de titane dans l'industrie automobile
Bien que les alliages de titane aient été largement utilisés dans les industries aérospatiale, pétrochimique et de la construction navale, leur application dans l’industrie automobile a mis du temps à se développer. Depuis que General Motors aux États-Unis a développé avec succès la première voiture entièrement en titane en 1956, les pièces automobiles en titane n'ont atteint le niveau de production de masse que dans les années 1980, et dans les années 1990, avec l'augmentation de la demande de voitures de luxe, de voitures de sport et voitures de course, les pièces en titane se sont rapidement développées. En 1990, la quantité de titane utilisée dans les automobiles dans le monde n'était que de 50 tonnes, en 1997 elle a atteint 500 tonnes, en 2002 elle a atteint 1 100 tonnes, en 2009 elle a atteint 3 000 tonnes, et on s'attend à ce que la quantité de titane utilisée dans les automobiles dans le monde dépassera 5 000 tonnes en 2015. À l'heure actuelle, les pièces en alliage de titane sont couramment utilisées dans les types suivants.
1. Bielle moteur
L'alliage de titane est un choix idéal pour les matériaux de bielle. La bielle du moteur en alliage de titane peut réduire efficacement la masse du moteur, améliorer le rendement énergétique et réduire le volume des gaz d'échappement. Par rapport à la bielle en acier, la bielle en titane peut réduire la masse de 15 % à 20 %. L'application de tiges de titane a été démontrée pour la première fois dans les nouveaux moteurs Ferrari 3.5LV8 et Acura NSX en Italie. Les principaux matériaux utilisés dans la bielle en alliage de titane sont Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V et Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si, etc. Autres matériaux en alliage de titane tels que Ti-4Al-2Si-4Mn et Ti-7M-4Mo sont également développés dans l'application de la bielle.
2. Soupape moteur
La soupape de moteur automobile en alliage de titane peut non seulement réduire la masse et prolonger la durée de vie, mais également réduire la consommation de carburant et améliorer la fiabilité de l'automobile. Par rapport à la soupape en acier, la qualité de la soupape en titane peut être réduite de 30 à 40 % et la vitesse limite du moteur peut être augmentée de 20 %. En ce qui concerne l'application actuelle, le matériau de la soupape d'admission est principalement du Ti-6Al-4V, et le matériau de la soupape d'échappement est principalement du Ti-6242S. Habituellement, Sn et Al sont ajoutés ensemble, ce qui peut obtenir une fragilité plus faible et une résistance plus élevée. L'ajout de Mo peut améliorer les performances de traitement thermique de l'alliage de titane, renforcer la résistance de l'alliage de titane de trempe et de vieillissement et augmenter la dureté. D’autres alliages de titane présentant un potentiel de développement sont :
1) La soupape d'admission peut être en Ti-62S, dont les caractéristiques sont équivalentes à Ti-6Al-4V, et le prix est moins cher.
2) La soupape d'échappement peut utiliser du Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0. 45Si, en raison de la teneur plus faible en Mo, sa résistance au fluage est meilleure que celle du Ti-6242S et la température de résistance à l'oxydation peut atteindre 600 degrés.
3) La soupape d'échappement peut utiliser -TiAl, qui présente les caractéristiques de résistance aux températures élevées et de légèreté, mais elle ne convient pas à la méthode de forgeage traditionnelle pendant le traitement, convient uniquement au moulage et au traitement de la métallurgie des poudres.
3. Siège de ressort de soupape
La haute résistance et la résistance à la fatigue sont les performances que le siège de ressort de soupape doit avoir, l'alliage de titane est un alliage de type traitement thermique, peut obtenir une résistance élevée grâce à un traitement de vieillissement en solution, les matériaux correspondants les plus appropriés sont Ti-15V{{1} }Cr-3Al-3Sn et Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utilise un siège de ressort de soupape en alliage de titane Ti-22V-4Al sur ses véhicules de production en série, ce qui réduit la masse de 42 % par rapport au verrou en acier d'origine, la masse d'inertie du mécanisme de soupape est réduite de 6 %, et le régime moteur maximum est augmenté de 300 tr/min.
4. Ressort en alliage de titane
Le titane et ses alliages ont un faible module élastique par rapport aux matériaux en acier et une valeur σs/E élevée, ce qui convient à la fabrication de composants élastiques. Par rapport aux ressorts de voiture en acier, dans le cadre du même travail élastique, la hauteur du ressort en titane n'est que de 40 % de celle du ressort en acier et la masse n'est que de 30 à 40 % de celle du ressort en acier, ce qui est facile à concevoir. la carrosserie de la voiture. De plus, l'excellente résistance à la fatigue et à la corrosion de l'alliage de titane peut améliorer la durée de vie du ressort. À l'heure actuelle, les matériaux en alliage de titane qui peuvent être utilisés pour fabriquer des ressorts automobiles sont le Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al et le Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompresseur
Les turbocompresseurs peuvent améliorer l’efficacité de combustion du moteur et augmenter la puissance et le couple du moteur. Le rotor de turbine du turbocompresseur doit fonctionner pendant une longue période dans des gaz d'échappement à haute température supérieure à 850 degrés C, il nécessite donc une bonne résistance à la chaleur. Les métaux légers traditionnels, tels que les alliages d'aluminium, ne peuvent pas être utilisés en raison de leur faible point de fusion. Bien que les matériaux céramiques soient utilisés dans les rotors de turbine en raison de leur légèreté et de leur résistance aux températures élevées, leur application est limitée en raison de leur coût élevé et de l’incapacité d’optimiser la forme. Pour résoudre ces problèmes, Tetsui et al. a développé un rotor de turbine TiAl, qui présente non seulement une bonne durabilité et une bonne efficacité, mais peut également améliorer l'accélération du moteur après de nombreux tests. Cette conception a été commercialisée avec succès sur la série Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Système d'échappement et silencieux
Le titane est utilisé dans le système d’échappement des automobiles. Les systèmes d'échappement en titane et ses alliages peuvent non seulement améliorer la fiabilité, prolonger la durée de vie et améliorer l'apparence, mais également réduire la masse et augmenter l'efficacité de la combustion du carburant. Le système d'échappement en titane peut réduire la masse d'environ 40 % par rapport au système d'échappement en acier. Dans la série de voitures Golf, la qualité du système d'échappement en titane peut être réduite de 7 à 9 kg, et le titane utilisé dans le système d'échappement est principalement du titane pur industriel.
Le poids du silencieux en titane n'est que de 5 à 6 kg, ce qui est plus léger que le silencieux en acier inoxydable. La voiture Chevrolet CorvetteZ06 2000 utilise un système de silencieux et de tuyau d'échappement en titane de 11,8 kg au lieu du système d'origine en acier inoxydable de 20 kg, réduisant ainsi la masse de 41 %. Le système de remplacement a la même force et rend la voiture plus rapide, plus flexible et plus économe en carburant. Le titane utilisé dans le silencieux est également principalement du titane pur industriel.
7. Partie du châssis de la voiture
Afin d’améliorer la sécurité et la fiabilité des automobiles, il est nécessaire de prendre en compte les aspects de conception et de fabrication, notamment les matériaux de fabrication. Le titane est un bon matériau utilisé pour fabriquer des cadres de carrosserie de voiture, qui possède non seulement une résistance spécifique élevée, mais également une bonne ténacité. Au Japon, les constructeurs automobiles choisissent des tubes soudés en titane pur pour le cadre de la carrosserie, ce qui permet au conducteur de bénéficier d'une sécurité suffisante pendant la conduite.
8. Autres pièces en alliage de titane
En plus des pièces ci-dessus, le titane est également utilisé dans le culbuteur du moteur, le ressort de suspension, l'axe de piston du moteur, les fixations de voiture, les écrous d'oreille suspendus, la poutre d'éclatement de porte de voiture, le support d'arrêt de voiture, le piston d'étrier de frein, le boulon d'axe, la plaque de pression, le changement de vitesse. bouton et plaque ronde d'embrayage et autres pièces automobiles.
Application de l'alliage de titane
Étape 1 : Avantages
L'alliage de titane présente les avantages d'un poids léger, d'une résistance spécifique élevée et d'une bonne résistance à la corrosion, il est donc largement utilisé dans l'industrie automobile, et l'alliage de titane le plus largement utilisé est le système moteur automobile. L’utilisation d’alliage de titane pour fabriquer des pièces de moteur présente de nombreux avantages, notamment :
1) La densité de l'alliage de titane est faible, ce qui peut réduire la masse inertielle des pièces mobiles, et le ressort de soupape en titane peut augmenter les vibrations libres, affaiblir les vibrations du corps et améliorer le régime moteur et la puissance de sortie.
2) Réduisez la masse inertielle des pièces mobiles, réduisant ainsi la force de frottement et améliorant le rendement énergétique du moteur.
3) La sélection d'un alliage de titane peut réduire la contrainte de charge des pièces concernées, réduire la taille des pièces, de manière à réduire la qualité du moteur et de l'ensemble du véhicule.
4) La réduction de la masse inertielle des pièces affaiblit les vibrations et le bruit et améliore les performances du moteur.
L'application d'un alliage de titane dans d'autres composants peut améliorer le confort du personnel et la beauté de la voiture. Dans l'application de l'industrie automobile, l'alliage de titane a joué un rôle incommensurable dans les économies d'énergie et la réduction de la consommation.
2. Restrictions d'application
Bien que les pièces en alliage de titane aient des performances supérieures, il reste encore beaucoup à faire par rapport à l'application générale du titane et de ses alliages dans l'industrie automobile, pour des raisons telles que le coût élevé, une mauvaise formabilité et de mauvaises performances de soudage.
Avec le développement de la technologie de formage quasi net des alliages de titane et des technologies de soudage modernes telles que le soudage par faisceau d'électrons, le soudage à l'arc plasma et le soudage au laser ces dernières années, les problèmes de formage et de soudage de l'alliage de titane ne sont plus les facteurs clés limitant l'application du titane. alliage de titane, et la principale raison qui entrave l'application généralisée de l'alliage de titane dans l'industrie automobile est son coût élevé.
Qu’il s’agisse de la fusion initiale du métal ou de la transformation ultérieure, le prix de l’alliage de titane est bien plus élevé que celui des autres métaux. L'industrie automobile peut accepter le coût des pièces en titane, de la bielle en titane de 8 à 13 dollars américains/kg, de la soupape d'air en titane de 13 à 20 dollars américains/kg, du ressort, du système d'échappement du moteur et des fixations en titane, qui espèrent être inférieurs à 8 dollars américains/kg. . À l'heure actuelle, le coût des pièces produites avec des matériaux en titane est beaucoup plus élevé que ces prix, et le coût de production des tôles de titane est généralement supérieur à 33 dollars américains/kg, soit 6 à 15 fois celui des tôles d'aluminium et 45 à 83 fois. celle de la tôle d'acier.
État de la recherche sur les alliages de titane automobiles
À l'heure actuelle, la réduction des coûts constitue le principal axe de recherche sur les alliages de titane utilisés dans l'industrie automobile. Selon les caractéristiques de la répartition des coûts des alliages de titane utilisés dans l'industrie automobile, les travailleurs de la recherche et du développement de matériaux atteignent principalement l'objectif de réduire les coûts sous les deux aspects suivants : le développement de nouveaux systèmes d'alliages à faible coût et l'utilisation de nouveaux traitements. et technologies de préparation.
1. Nouveau système en alliage de titane à faible coût
Les travailleurs de divers pays ont développé de nouveaux systèmes d'alliage de titane à faible coût, se concentrant principalement sur les aspects suivants : la conception d'alliages utilisant des éléments d'alliage bon marché et la conception d'alliages améliorant les caractéristiques de traitement. Parmi eux, le Japon et les États-Unis sont des représentants, et la Chine a développé avec succès deux alliages de titane à faible coût, à savoir le Ti8LC et le Ti12LC. Dans la conception de composants en alliage de titane à faible coût pour véhicules, les éléments d'alliage bon marché couramment utilisés sont Fe, Cr, Si, Al, etc.
2. Nouvelle technologie de traitement et de préparation
Le coût de traitement des matériaux en alliage de titane représente plus de 60 % du coût total du processus de production. Par conséquent, en termes de réduction des coûts, la manière de réduire le coût de traitement de l'alliage de titane est devenue le centre de la recherche. La recherche dans ce domaine est principalement divisée en deux aspects : l’un consiste à améliorer le processus traditionnel de coulée et de forgeage, et l’autre consiste à adopter la technologie de formage quasi-net de la métallurgie des poudres.
Dans la recherche et le développement de nouveaux procédés de forgeage, le forgeage à froid est l’une des méthodes les plus prometteuses pour la fabrication de pièces automobiles en alliage de titane. La résistance à la déformation de l'alliage de titane à température ambiante est faible, la formation de coupe est bonne, peut être un matériau de forgeage à froid, le Japon a développé trois types d'alliage de titane à déformation à froid. L'alliage de titane présente également quelques inconvénients, il est facile de produire une déformation inégale lors du forgeage à froid et il est facile d'adhérer au moule, de sorte que la production en série de pièces en alliage de titane avec la technologie de forgeage à froid nécessite encore une exploration et un développement plus approfondis.
La métallurgie des poudres est une technologie très importante pour réduire le coût de traitement des alliages de titane. Dans la fabrication de pièces automobiles par métallurgie des poudres, la méthode traditionnelle de frittage sous presse occupe toujours la position dominante, comprenant principalement la méthode des poudres élémentaires (BE) et la méthode des poudres de pré-alliage (PA). À l'heure actuelle, la méthode des poudres élémentaires est la plus largement utilisée dans le domaine de la métallurgie des poudres d'alliages de titane automobiles à faible coût en raison de son processus simple et de son coût inférieur. Ces dernières années, d'autres technologies de métallurgie des poudres ont également fait leur apparition, notamment la technologie de formage au laser, le moulage par injection de poudre métallique (MIM) et d'autres technologies, qui ont été largement utilisées dans la production d'essai et la production de pièces automobiles complexes, ce qui peut considérablement raccourcir le produit. cycle de développement et de production et réduire davantage les coûts.
Péroraison
La nouvelle génération de conception automobile accorde davantage d'attention à la légèreté de la carrosserie, à la faible consommation de carburant, au faible bruit du moteur et aux légères vibrations pour répondre aux exigences de plus en plus exigeantes de l'environnement. Dans ce contexte, le titane, métal léger, deviendra un matériau de choix d’application majeur pour les futurs véhicules.
Compte tenu de l’état actuel de la recherche sur les alliages de titane automobiles à faible coût, on peut constater que afin de réduire davantage le coût des alliages de titane automobiles, la recherche devrait principalement se concentrer sur les aspects suivants :
1) Dans le développement de systèmes d'alliages à faible coût, essayez de développer des systèmes d'alliages qui n'utilisent pas d'éléments d'alliage coûteux ou moins sans affecter les performances, et développez et utilisez pleinement des alliages de titane recyclés.
2) En termes de développement du processus de moulage et de forgeage, l'orientation du développement de l'alliage de titane et de l'alliage de titane déformé à froid est développée et l'étude de faisabilité de la production de masse est réalisée.
3) Dans la métallurgie des poudres, tout en garantissant l’avantage du faible coût, il est également nécessaire d’améliorer encore les performances des pièces en titane.
Avec le développement de l’économie et la réduction du coût du titane, de plus en plus d’ingénieurs choisiront des pièces en titane pour les pièces automobiles. Les alliages de titane joueront à terme un rôle important dans la production de l’industrie automobile.
