鈦合金在汽車及其他領(lǐng)域的應(yīng)用

香港鼎泰應(yīng)用材料

：021－郵箱：,聯(lián)系人:丁珠保鈦合金在汽車及其他領(lǐng)域的應(yīng)用1鈦合金優(yōu)點(diǎn)鈦具有一系列優(yōu)點(diǎn),如:強(qiáng)度高,密度低彈性模量約是鋼的一半,熱膨脹系數(shù)低，約是不銹鋼及鋁材的50%,無磁性,熱導(dǎo)率低,耐腐蝕、對(duì)環(huán)境無污染等。因此,不但宇航工業(yè)及化學(xué)工業(yè)已大量用鈦,而且作為汽車用材很早就引起人們的注意。汽車用鈦可極大減輕車重,降低燃料消耗,提高工作效率,改善環(huán)境和降低噪音等。2鈦合金的一般加工工藝3鈦合金在汽車上應(yīng)用的歷史

二十多年前，賽車上已開始使用鈦了。同一般汽車相比，賽車非常注重性能，對(duì)質(zhì)量輕速度高的要求更強(qiáng)烈。近年來，鈦在一般汽車上的應(yīng)用漸露頭角，且用量不斷增加。汽車用鈦的首要因素是減重和提高性能，而從外觀及符合所需標(biāo)準(zhǔn)等方面考慮也需要用鈦來制作零部件。據(jù)資料介紹，每降低10%的車重，廢氣排放量可減少10%,燃料消耗節(jié)省7%。因此，汽車的輕量化將起到節(jié)能和環(huán)保功效，鈦則是實(shí)現(xiàn)汽車減重的最理想金屬。汽車(包括摩托車）是鈦的一個(gè)新興發(fā)展市場(chǎng)，但成本是一般汽車上使用鈦材今后的課題。。4鈦合金在汽車上應(yīng)用進(jìn)展1956年通用汽車公司（GM）和其供貨商裝配了一輛展覽用的理想小車，其車體全全鈦的。自此,GM一直想在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用鈦,包括排氣氣門和連桿。目前,一些汽車制造商已在某些型號(hào)車中使用了少量鈦零件。本田汽車公司1994年在NSX賽車的3.0L24閥V-6發(fā)動(dòng)機(jī)中使用鍛造鈦連桿;三菱汽車公司在其制造的高容量、四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中使用了鈦氣門彈簧承座;保時(shí)捷汽車中也使用了汽車連桿5鈦合金在汽車行業(yè)中使用的部件

一、發(fā)動(dòng)機(jī)部件：二、排氣系統(tǒng)三、車用彈簧6鈦合金在汽車行業(yè)中使用的部件

引擎連桿連桿連接活塞與曲軸，將活塞的動(dòng)力傳遞到曲軸，因此承受很大的沖擊力，所以必須強(qiáng)度大且不易變形。此外，連桿也必須質(zhì)輕，以減少慣性損失，提升引擎最高轉(zhuǎn)速。鈦合金因具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高的性質(zhì)，故鈦合金連桿的優(yōu)點(diǎn)為：（一）可減少引擎震動(dòng)與噪音。（二）可提高曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度。（三）可減少曲軸應(yīng)力。（四）活塞側(cè)壓力較小，活塞裙較不易磨損。（五）有較高的引擎扭力。7鈦合金連桿最廣泛的材料為Ti-6Al-4V，屬于α＋β鈦合金，兼具α合金的韌性與抗?jié)撟冃约唉潞辖鸬膹?qiáng)度與良好成型性，且具有極佳的耐腐蝕性。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高，故鈦金屬公司(TIMET)已研發(fā)了Ti-62S作為替代Ti-62S(Ti-6Al-1.7Fe-0.18O2-0.1Si)性質(zhì)接近于Ti-6Al-4V，添加Si可增加其強(qiáng)度及抗?jié)撟兡芰Γ惶砑予F可降低原料成本，亦能促進(jìn)晶粒細(xì)化，進(jìn)而提高強(qiáng)度，同時(shí)改善加工性；添加O2可強(qiáng)化鈦合金。由于生產(chǎn)成本較低，價(jià)格較Ti-6Al-4V便宜10-20%。鈦合金連桿的制造法一般為鍛造法，但因鍛造材料步留率低、切削性較易、切鋼差及鍛造物需要酸洗除去表層氧化物的關(guān)系，導(dǎo)致加工成本很高。所以目前鈦合金連桿的制造趨勢(shì)朝向凈型鑄造法及粉末冶金制造法。這兩種方法所獲得的工件在疲勞性質(zhì)上已有重要的改善。8AccuraNSX3.0升V6引擎首先采用了鈦合金連桿，使用的鈦合金為Ti-3A-2.0V。與鎳鉻鋼連桿比較，可節(jié)省30﹪的重量且有相等的疲勞強(qiáng)度。Ti-3A-2.0V價(jià)格較Ti-6Al-4V便宜，Ti-6Al-4V與Ti-3Al-2.0V有相同的Al/V比，故能由回收的Ti-6Al-4V中制造出Ti-3Al-2.0V，且因重量減輕，慣性損失少，故引擎最高轉(zhuǎn)速可增加700rpm。9

氣門座進(jìn)汽門(IntakeValve)工作溫度約300-400℃，排汽門(ExhaustValve)工作溫度約600~800℃，因材料需具有抗熱性，尤其是在高溫下，必須保持其強(qiáng)度、硬度而不燒蝕。所以具有高溫耐氧化性及耐高溫潛變的鈦合金是最合適的材料。就目前的應(yīng)用而言，進(jìn)汽門的材料以Ti-6Al-4V為主,排汽門的材料以Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si(Ti-6242S)為主，Sn和Al通常一起添加，以便得到無脆性的高強(qiáng)度；添加Mo可增加鈦合金的熱處理性，加強(qiáng)淬火及時(shí)效鈦合金的高強(qiáng)度，同時(shí)增加硬化能。使用鈦合金汽門的優(yōu)點(diǎn)如下：（一）汽門重量減輕可減少汽門機(jī)構(gòu)慣性質(zhì)量，可提高引擎汽門震動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速。（二）可減少彈簧負(fù)荷，減少汽門機(jī)構(gòu)磨損。10（三）可降低燃油消耗。（四）可降低汽門機(jī)構(gòu)噪音。表2鈦合金汽門機(jī)構(gòu)與鋼制汽門機(jī)構(gòu)之比較比較項(xiàng)目鋼汽門鈦合金汽門進(jìn)汽門重量排汽門重量汽門彈簧鎖扣重量汽門機(jī)構(gòu)重量汽門震動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速燃油經(jīng)濟(jì)性福特汽車(Ford)的一項(xiàng)研究報(bào)告指出，在一具四缸八汽門，1.9升的引擎中使用鈦合金汽門，汽門重量可減少原鋼汽門重量的48﹪；引擎汽門震動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速可提高650r/min；汽門彈簧負(fù)荷減少約30﹪；因汽門機(jī)構(gòu)摩擦損失減少，在油耗表現(xiàn)上，平均每加侖汽油可增加0.7里的里程數(shù)。表2為此具引擎在汽門機(jī)構(gòu)重量與引擎效能的比較。11然而，其它具有發(fā)展?jié)摿Φ暮辖鹩校?一）進(jìn)汽門可采用Ti-62S，其特性相當(dāng)于Ti-6Al-4V，且價(jià)格較便宜。（二）排汽門可采用Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo-0.45Si(Ti-1100)，因?yàn)镸o含量較低，故其耐潛變抵抗性較Ti-6242S優(yōu)，耐氧化溫度可達(dá)600℃(1100°F)。此合金正由美國賽車零件制造商評(píng)估中，應(yīng)用性指日可待。（三）排汽門可采用γ-TiAl。γ-TiAl具有耐高溫及重量輕的特點(diǎn)，但不適合以傳統(tǒng)的鍛造法加工，僅適合使用鑄造法與粉末冶金法加工。當(dāng)制造方法更加成熟后，其價(jià)格也許會(huì)較目前廣泛使用的鎳基超合金排汽門便宜。12汽門彈簧座(ValveSpringRetainer)汽門彈簧座必須具備高強(qiáng)度及耐疲勞性，對(duì)于耐高溫的要求不像汽門那么高。β鈦合金為熱處理型合金，能依固溶時(shí)效處理來獲得很高的強(qiáng)度，所以Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn與Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si是合適的材料。三菱汽車(Mitsubishi)在其量產(chǎn)汽車上使用Ti-22V-4Al鈦合金汽門彈簧座。重量較原鋼制鎖扣減輕了42﹪，汽門機(jī)構(gòu)慣性質(zhì)量減少6﹪，引擎最大轉(zhuǎn)速增加了300rpm。汽門彈簧(ValveSpring)汽門彈簧的作用是使汽門能確實(shí)的關(guān)閉，尤其是引擎在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽門彈簧因運(yùn)動(dòng)速度加快，易引起彈簧之諧振而導(dǎo)致汽門開閉不確實(shí)，影響引擎性能，故汽門的材料須具備質(zhì)輕、強(qiáng)度大及耐疲勞的特性。鈦合金重量輕、比強(qiáng)度大及剪力模數(shù)低，實(shí)是彈簧的理想材料。13圓筒圈狀壓縮彈簧負(fù)荷與變形量之關(guān)系式如下：3δ=8NDP，其中δ=彈簧變形量，D=彈簧直徑，d=線徑，G=剪力模數(shù)，Gd4P=彈簧負(fù)荷，N=彈簧圈數(shù)。因鈦合金的剪力模數(shù)G較小會(huì)使彈簧在受負(fù)荷時(shí)變形量增加，為了避免這種情形，可使彈簧在設(shè)計(jì)時(shí)有較少的圈數(shù)及縮小彈簧直徑，如此不但可減少彈簧的變形量，而且尺寸大小僅是鋼彈簧的一半，彈簧重量?jī)H為鋼彈簧的一半。彈簧重量一減輕，便可提高共振頻率，提高引擎汽門彈簧諧振的臨界轉(zhuǎn)速，增加引擎高速運(yùn)轉(zhuǎn)之效率。對(duì)汽車設(shè)計(jì)者而言，鈦合金彈簧尺寸較小，在空間的應(yīng)用上會(huì)更靈活。β鈦合金因具有高強(qiáng)度及良好的冷加工成型性，所以是汽門彈簧的優(yōu)良材料。一般在商業(yè)上使用最多的β鈦合金是Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(Ti-38644)。14渦輪增壓器(turbocharger)使用渦輪增壓器可以改善引擎的燃燒效率并增進(jìn)引擎馬力及扭力。然而，渦輪增壓器的輪機(jī)轉(zhuǎn)子(turbinewheel)長期暴露在850℃以上的高溫廢氣中，故具備耐熱性是很重要的條件。傳統(tǒng)的輕金屬，如鋁合金或鎳基合金，因其溶點(diǎn)較低，便無法使用。雖然陶瓷材料重量輕且耐高溫性佳而被應(yīng)用在輪機(jī)轉(zhuǎn)子上，但由于成本高及形狀上無法最佳化而使得應(yīng)用上受到限制。因此Tetsui等人發(fā)展了TiAl輪機(jī)轉(zhuǎn)子，經(jīng)過了多次的引擎試驗(yàn)，不但其耐久性及效能已受到證實(shí)，而且也可以改善引擎加速性及減少廢氣中的有害物質(zhì)。此項(xiàng)設(shè)計(jì)已成功商業(yè)化的應(yīng)用在MitsubishiLancerEvolution系列車款上。15汽車用鈦的前景氣閥

氣閥是另一個(gè)比較熱門的鈦合金應(yīng)用對(duì)象。由于氣閥（特別是排氣閥）的工作溫度較高，約900℃，因此，使用常規(guī)的Ti-6Al-4V合金以及TiB2/TiC增強(qiáng)的鈦合金均不能滿足抗氧化性能以及抗蠕變性能的要求。γ-TiAl合金具有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能，已被用來制備賽車氣閥，但是，由于γ-TiAl的室溫塑性平均不超過1%，使用時(shí)的安全系數(shù)太小，并且，由于其制備成本較高，組織控制困難以及性能不穩(wěn)定，因此，γ-TiAl距離轎車應(yīng)用還有很長的路。

16汽車排氣系統(tǒng)材料鈦合金在汽車上的另一個(gè)應(yīng)用就是排氣系統(tǒng)。以前使用的材料為不銹鋼，顯然質(zhì)量較鈦合金為高。從表1可以看出，使用鈦合金可以明顯減輕汽車質(zhì)量。除此以外，由于鈦合金的焊接性能好，不像不銹鋼那樣容易從焊縫開裂，因此，鈦合金排氣閥的使用壽命較長，為12年～14年，而不銹鋼一般不到7年就得更換，從而有效節(jié)約了費(fèi)用。目前，出于減輕質(zhì)量以及便于加工的原因，使用塑性好的商業(yè)純鈦來制備排氣系統(tǒng)部件。但是，由于尾氣溫度較高，純鈦的耐高溫氧化性能不如不銹鋼，因此被應(yīng)用于排氣系統(tǒng)的后端而不是全部部件，這樣其減重效果大打折扣。如何開發(fā)室溫塑性好且高溫抗氧化能力強(qiáng)的鈦合金，以及如何通過表面改性和涂層處理來提高其表面抗氧化水平均屬目前的研究問題。17表1汽車排氣系統(tǒng)材料的質(zhì)量對(duì)比18曲軸和其他發(fā)動(dòng)機(jī)部件

日本正在試制Ti-5Al-2Cr-1Fe合金曲軸。這種曲軸因需要進(jìn)行防粘接處理,目前還未實(shí)用。其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件如搖臂,氣門彈簧和連桿的下螺栓等可利用Ti-6Al-4V合金制造215回氣管回氣管

采用鈦制尾噴管回氣管組件可不受氯鹽和含硫廢氣的腐蝕,甚至在焊接處也不會(huì)出現(xiàn)銹蝕,且比傳統(tǒng)的不銹鋼排氣系統(tǒng)材料減重克kg,同時(shí)改善了燃料效率,具有較快加速能力和較短的制動(dòng)距離。新型雪佛萊CorvetteZ06汽車上已采用了鈦制回氣管。19

懸簧

與汽車使用的普通鋼彈簧相比,鈦彈簧質(zhì)量輕、耐腐蝕性好和剪切模量低(可減少彈簧卷的轉(zhuǎn)向)。鈦制彈簧可比鋼的減重60%～70%。在一個(gè)典型美國造的5座～6座的家用車中,使用4個(gè)懸簧,每輛車就可減重9kg～13。6kg。Time他曾專門為滿足汽車懸簧生產(chǎn)商的成本和零件裝配要求而開發(fā)了一種鈦合金,該材料保留了航空用鈦合金彈簧的優(yōu)異性能,且大大降低了成本。最初用為歐洲大眾汽車公司的新型LupoFSI汽車的齒輪懸簧,用量很小。2001年,大眾公司指定用鈦制作其新型LupoFSI車用彈簧。20鈦彈簧使用時(shí)的優(yōu)越性

用鈦合金制備轎車彈簧具有一系列優(yōu)點(diǎn)：首先從其彈性性能上說，由于鈦合金的彈性極限（σe）高而彈性模量（E）低，其彈性應(yīng)變?chǔ)?e/2E非常高，是鋼彈簧的10倍以上，因此，使用鈦合金彈簧將明顯提高乘車舒適度；其次，從使用壽命上說，由于鈦合金具有優(yōu)異的疲勞極限，可以滿足彎曲疲勞強(qiáng)度大于800MPa的要求，其卷簧所需材料的質(zhì)量減少且壽命延長。鈦合金的抗腐蝕能力強(qiáng)，無需額外的表面防銹處理，因此，鈦彈簧的使用壽命比汽車本身的壽命還長，無需中間更換。再次，從加工角度來說，由于制備彈簧的鈦合金為β鈦合金，其在淬火狀態(tài)下強(qiáng)度很低，非常有利于冷拔拉絲，可以利用鋼絲的設(shè)備進(jìn)加工，然后通過時(shí)效處理提高強(qiáng)度，因此生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單。最后，從油耗方面來說，由于鈦合金的密度小，鈦彈簧的質(zhì)量?jī)H有鋼彈簧的一半多，并且，在相同的彈性功前提下，鈦彈簧的高度僅為鋼彈簧的40%，便于車體設(shè)計(jì)。因此，用鈦合金制作車用彈簧被認(rèn)為是最理想的材料。21圖1：鈦合金制備的彈簧22鈦汽車彈簧應(yīng)用的合金牌號(hào)

目前車用鈦合金彈簧為鈦合金，是1990年由TIMET公司發(fā)明的，牌號(hào)為TimetalLCB（LowCostBetaTitanium）。此合金是在航空用鈦合金彈簧Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（牌號(hào)為BetaC）的基礎(chǔ)上，通過使用了大量的Fe-Mo中間合金改良而來，目的是保證性能基本相當(dāng)?shù)那闆r下降低成本。盡管其成本較BetaC有了一定程度的下降。。23

消音器

鈦消音器只有5kg～6kg,比不銹鋼等消音器輕很多,便于操作。日本汽車領(lǐng)域的鈦需求(1999年達(dá)457t)基本上全用于消音器。本田、鈴木等四家較大的廠家已采用鈦制消音器。鈦消音器主要用于大型汽車和個(gè)別中型汽車。鈦的耐蝕性、強(qiáng)度、表面意匠性等正在評(píng)價(jià)中。GM公司的2000款雪佛萊CorvetteZ06汽車上,用了一個(gè)11.8kg重的鈦消音器和尾氣管系統(tǒng)代替了原來重20kg的不銹鋼系統(tǒng),減重41%,強(qiáng)度不變。車速度更快、操作靈活且節(jié)約燃料。24緊固件

對(duì)汽車應(yīng)用,許多類型的緊固件都可用鈦取代鋼,未來輕型運(yùn)輸工具中鈦緊固件是可行或必須的。車體及其其他部件

Timet認(rèn)為鈦可用在家用車輛的其它部件以大大削減車重,提高耐用性,這包括發(fā)動(dòng)機(jī)元件、驅(qū)動(dòng)齒輪系零件、懸掛系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)件,如減震緩沖器中心桿、掛耳螺帽和螺栓、控制桿緊固件、從動(dòng)軸、車擋支架、門突入梁、制動(dòng)器卡鉗活塞、銷軸栓等?？衫肨i6Al4V合金制作離合器片，壓力板及其變速器部件，最近開始用旋壓成型制造純鈦外殼，日本學(xué)者設(shè)計(jì)了一種新的組合滑動(dòng)模,采用下沖式成形開發(fā)了另一種汽車鏈輪。25汽車鈦合金的國際市場(chǎng)狀況美國

美國已生產(chǎn)出賽車用的鈦制進(jìn)氣氣門、排氣氣門、氣門護(hù)圈和連桿等部件。每年專用于汽車上的鈦材達(dá)50t。1996在美國的拉斯維加斯召開的國際鈦協(xié)會(huì)展覽會(huì)上展出了Timet公司用工業(yè)純鈦制造的汽車排氣系統(tǒng),隨后克萊斯勒和GM公司制出了純鈦排氣系統(tǒng)商用樣機(jī),大規(guī)模的生產(chǎn)評(píng)估正在進(jìn)行。同時(shí)GM公司還在進(jìn)行Timetal62S和TimetalLCB輪軸的研究,并考慮把這種合金投入批量生產(chǎn)。另外美國的高性能汽車NSXAcura也使用了鈦制連桿,這是批量生產(chǎn)汽車連桿用鈦的一個(gè)實(shí)例。美國已經(jīng)實(shí)行了PNGV(PartnershipforaNewGenerationofVehicles)計(jì)劃,政府每年用于該計(jì)劃的資金超過1億美元。該計(jì)劃對(duì)新一代汽車提出了明確的減重目標(biāo)26日本

日本早在20年前就把鈦應(yīng)用于賽車及一部分跑車,但在重視成本的一般小客車中尚未應(yīng)用。如日產(chǎn)R382汽車因采用了鈦合金制氣門,在日本大賽中獲勝。目前,鈦及其合金在汽車上的應(yīng)用主要有發(fā)動(dòng)機(jī)部件彈簧、車桿、連桿、標(biāo)準(zhǔn)件、車輪、動(dòng)力閥等。據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，汽車動(dòng)力閥使用的鈦合金相當(dāng)于減輕20kg的效果。汽車的用鈦量在逐年增長,1989年～1999年為669t,而2000年已達(dá)473t,2001年估為491t,預(yù)計(jì)2002年可能達(dá)到500t。27

日本大同鋼鐵公司研制的新型鈦鋁合金。。用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣氣門,可大大改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。合金中加入Nb和Si是為了提高抗氧化性能及抗蠕變性能。與排氣門常用的馬氏體耐熱鋼和鎳基合金相比,該合金的突出特點(diǎn)是密度小,而且導(dǎo)熱性良好。此外,新合金在較高溫度(540℃以上)條件下的強(qiáng)度高于常用合金,而且其蠕變強(qiáng)度也高于鎳基合金,同時(shí)又具有很好的耐磨性能。

日本金屬材料研究所與韓國機(jī)械與金屬研究所合作,采用元素混合法把合金粉末和強(qiáng)化粉末均勻混合、真空燒結(jié)、熱等靜壓制成兩種低成本的合金,具有優(yōu)良的拉伸、蠕變和疲勞性能,可望制成汽車零件。日本豐田公司則采用優(yōu)良的鈦合金粉末制成汽車氣門、連桿等。其中氣門已通過應(yīng)用考核,已裝配在新型的豐田轎車上。28

日本為汽車用鈦進(jìn)行了大量的研究開發(fā)。未來技術(shù)研究所開發(fā)了SAT64AW,SAT64HM,SAT325HM,Ti220V24Al21Sn等汽車用鈦合金。SAT64HM,SAT325HM合金具有良好的熱加工性、鉆削性和抗疲勞性能,可作鉆孔多的連桿等部件,切削加工成本較低。

三菱汽車公司開發(fā)的Ti-2V-4Al合金冷加工性好,適用于制造閥桿。戶田制作所用Ti-6Al4V制作的進(jìn)氣氣門和排氣氣門,改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,可使汽車速度提高10%～15%。

值得一提的是,1992年在東京召開的第29屆國際汽車展覽會(huì)上,首次展出了鈦制車身外板和節(jié)能低公害發(fā)動(dòng)機(jī)汽車,引起了與會(huì)者各方面的關(guān)注。1996年日本制造的太陽能汽車結(jié)構(gòu)部件上采用鈦,在第四次世界太陽能汽車大賽上取得了名次。日本市場(chǎng)的合金牌號(hào)29汽車用鈦的前景新一代汽車設(shè)計(jì)更注重減輕質(zhì)量、降低燃料消耗、降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪音和振動(dòng),以滿足環(huán)境要求。在這種趨勢(shì)下,輕金屬鈦將成為未來汽車的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。然而,鈦零件在汽車應(yīng)用中仍然很少。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及鈦的成本降低(如新的低成本原料、連鑄、連軋及粉末冶金等低成本工藝的實(shí)行等),會(huì)有更多的工程設(shè)計(jì)人員將選擇鈦用做汽車零件。鈦?zhàn)罱K將在汽車生產(chǎn)工業(yè)中占有重要的地位。目前美國每年可生產(chǎn)1500-1600萬輛汽車，若每輛汽車有的鈦部件，則汽車用鈦市場(chǎng)交貨量將達(dá)到15000多噸，可見市場(chǎng)前景廣闊。30鈦合金在汽車中的潛在應(yīng)用部件3132汽車用鈦合金的更新歷程33幾種汽車材料與傳統(tǒng)材料的性能比較34特殊部件鈦合金零件的流程圖35新一代汽車的減重目標(biāo)36新型低成本應(yīng)用汽車的合金系列37新型生物醫(yī)用功能材料鈦及鈦合金

生物醫(yī)用金屬材料，作為人體內(nèi)植入制品已有400余年①，英國較早的采用了純金板修補(bǔ)顱骨及鑲牙，其后陸續(xù)采用了銀、銅、鐵片、鐵絲及鐵基合金等金屬固定骨折穩(wěn)定關(guān)節(jié)。1930年以后，英國、美國采用了鈷基合金，第二次世界大戰(zhàn)期間，隨著臨床治療的需求擴(kuò)大，英國、美國和日本等國家采用了大量的不銹鋼人體植入件。隨著稀有金屬工業(yè)的發(fā)展，加工態(tài)和鑄態(tài)的鈮、鋯、鈦開始用于臨床治療。進(jìn)入九十年代，僅美國每年采用的金屬人體植入件達(dá)200萬件以上①，其中髓關(guān)節(jié)、股骨件達(dá)5萬件以上。九十年代中期，鈦工業(yè)迅速發(fā)展，為醫(yī)療外科臨床需求提供了更多高質(zhì)量的鈦及鈦合金制品，醫(yī)學(xué)界的研究證明，鈦及鈦合金具有優(yōu)異的生物相容性，大量臨床應(yīng)用實(shí)例證明，鈦及鈦合金作為人體植入件的效果是最好的，所以，治療范圍擴(kuò)大，用量顯著增加。據(jù)報(bào)導(dǎo)②，近10年來，生物醫(yī)用金屬材料市場(chǎng)的增長率保持在20-25％，這促進(jìn)了38醫(yī)用金屬材料及其制品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，世界上每年有超過1000噸的鈦及鈦合金制品被植入人體內(nèi)，其中約占80％是Ti-6Al-4V合金。世界各國的相關(guān)研究和大量的臨床治療實(shí)例，從深度和廣度上認(rèn)可鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料，被當(dāng)今醫(yī)療外科業(yè)列為繼不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第三代金屬。39中國采用金屬材料用于外科植入物的工作起步晚。上海第一醫(yī)學(xué)院華山醫(yī)院于1958年用牙托粉和不銹鋼髓內(nèi)釘制成的人造股骨頭，在風(fēng)濕樣髖關(guān)節(jié)強(qiáng)直的病人中使用，1959-1960年采用了鎳鉻不銹鋼制成的人造股骨頭治療陳舊性股骨頸骨折和股骨頭壞死的病人，在臨床治療中發(fā)現(xiàn)用牙托粉和不銹鋼髓內(nèi)釘在結(jié)合處有折斷跡象。1972年起，開始采用了國產(chǎn)鈦及鈦合金人造骨與關(guān)節(jié)用于臨床治療病人。隨著中國鈦工業(yè)的發(fā)展，為醫(yī)療界提供了高質(zhì)量和多品種的鈦及鈦合金制品，北京積水潭醫(yī)院、上海第六人民醫(yī)院、天津醫(yī)院、中國人民解放軍總醫(yī)院、西安第二軍醫(yī)大附屬醫(yī)院、沈陽骨科醫(yī)院等二十多家醫(yī)院從1972年起③，先后采用鈦及鈦合金人造骨與關(guān)節(jié)用于臨床治療應(yīng)用和研究，制造的髖關(guān)節(jié)（包括股骨頭）、肘關(guān)節(jié)、肱骨頭、膝關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)、人造椎體和下頜骨等用于臨床治療病人，經(jīng)過三年多的跟蹤觀察認(rèn)為效果滿意，指出在人體承受力小的地方換接骨可以使用純鈦，在人體下肢因?yàn)樨?fù)重大，關(guān)節(jié)活動(dòng)量大，采用Ti-6Al-4V合40金是最理想的。同時(shí)，華山醫(yī)院與上海冶金研究所的摸擬人體體液的浸泡試驗(yàn)，電化學(xué)陽極化試驗(yàn)和腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線的測(cè)定，證明了鈦及鈦合金人造骨與關(guān)節(jié)用于人體具有優(yōu)異的耐腐蝕性，生物學(xué)反應(yīng)也很小，是一種理想的醫(yī)用金屬材料。復(fù)旦大學(xué)生物系人類生理學(xué)教研組與上海第六人民醫(yī)院對(duì)植入人體骨與關(guān)節(jié)進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)定，認(rèn)為鈦及鈦合金的強(qiáng)度滿足了人體植入物的要求。411.本公司創(chuàng)業(yè)的定位主導(dǎo)產(chǎn)品是鈦及鈦合金棒材，隨著生物醫(yī)用鈦及鈦合金市場(chǎng)的需求迅速增長，本公司轉(zhuǎn)向生物醫(yī)用鈦及鈦合金加工材的專業(yè)化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)施的生產(chǎn)工藝流程如下圖示：

422.標(biāo)準(zhǔn)：為了保障人體植入物用鈦及鈦合金材料的質(zhì)量，確?；颊呷松淼慕】担谘芯看罅颗R床應(yīng)用的基礎(chǔ)上，國外建立了一系列外科植入物用鈦及鈦合金加工材的標(biāo)準(zhǔn)，九十年代初，美國、英國的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過完善和修訂，納入國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）《外科植入物——金屬材料——純鈦材加工》和《外科植入物-——金屬材料——Ti-6Al-4V合金加工材》。中國在這方面的工作起步較晚，1989年，由寶雞有色金屬加工廠負(fù)責(zé)，上海手術(shù)器械六廠和天津醫(yī)療器械檢測(cè)中心為協(xié)作單位，在廣泛收集國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，編制了中國第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)《外科植入物用TC4鈦合金加工材》，于1990年11月通過專家審核，正式實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T13810-1992，經(jīng)過完善和修訂，成為現(xiàn)在實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)《外科植入物用鈦及鈦合金加工材》，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB/T13810-1997，其技術(shù)內(nèi)容上等效美國ASTM、英國BS和ISO的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目有鈦及鈦合金的化學(xué)成份、力學(xué)性能、工藝性能、尺寸偏差、顯微組織和質(zhì)量保證等基本一致。43本公司根據(jù)顧客對(duì)鈦及鈦合金加工材的不同要求，按以下中國標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)（見表1）44以外科植入物用鈦及鈦合金加工材為例，本公司提供用于制造外科植入物用的鈦及鈦合金棒材、板材和絲材（見表2）金屬材料用于人體硬組織修復(fù)和替換，或用于心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造，是一種與人的生命和健康密切相關(guān)的特殊功能材料。在生物系統(tǒng)中，金屬材料受到與其接觸的液體，有機(jī)分子、酶、自由基、細(xì)胞等影響，發(fā)生了腐蝕而造成金屬離子向周圍擴(kuò)散導(dǎo)致毒副作用；金屬材料自身的降解產(chǎn)物也會(huì)改變與鄰近液體的PH值和組成，并使自身性質(zhì)蛻變而導(dǎo)致植入失效，這成為醫(yī)用金屬材料要解決的主要問題。一般金屬材料力學(xué)性能優(yōu)良、易加工，但其化學(xué)成份組成與人體組織成分相距甚遠(yuǎn)，很難與生物組織親合。目前，廣泛應(yīng)用的金屬材料主要有：451、醫(yī)用不銹鋼屬于鐵基合金鋼，常見的有奧氏體不銹鋼，如：AlSl316、AlSl317，在臨床應(yīng)用中由于碳含量的影響導(dǎo)致發(fā)生晶間腐蝕，其后開發(fā)出超低碳不銹鋼，如AlSl316L、AlSl317L，仍然沒有解決在生理環(huán)境中的抗腐蝕性能問題，作為人體植入物的穩(wěn)定性不理想。2、醫(yī)用鈷基合金，在生理環(huán)境中以其優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的綜合力學(xué)性能和生物相容性被臨床應(yīng)用，但是一直擔(dān)心引起過敏反應(yīng)問題沒有解決。3、醫(yī)用鈦及鈦合金，在醫(yī)療領(lǐng)域中已經(jīng)成為首選的優(yōu)質(zhì)金屬材料，廣泛應(yīng)用的主要原因：46（1）質(zhì)輕鈦及鈦合金的密度，20℃時(shí)為克/厘米3，僅為不銹鋼的56％，植入人體內(nèi)大幅度減輕了人體的負(fù)荷量，作為醫(yī)療器械也減輕了醫(yī)務(wù)人員操作負(fù)荷。（2）彈性模量低鈦及鈦合金的彈性模量低，純鈦為10850公斤力/毫米2，僅為不銹鋼的53％，植入人體內(nèi)與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對(duì)植入物的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，因此鈦合金肘關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)在人體矯形手術(shù)中廣泛應(yīng)用，據(jù)報(bào)導(dǎo)，每年世界上大約有1億病人由于臂關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)炎癥而進(jìn)行替換治療。鈦合金假肢在各國也得到推廣應(yīng)用。（3）無磁性鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場(chǎng)影響，不受雷電影響，這有利于植入物后人體的安全。（4）無毒性鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對(duì)人體無毒副作用。47（5）抗腐蝕性鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，對(duì)人體血液的浸泡環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細(xì)胞組織的相容性好，這是鈦及鈦合金應(yīng)用的基礎(chǔ)條件，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會(huì)發(fā)生過敏反應(yīng)，在面部治療，介入性治療和循環(huán)系統(tǒng)醫(yī)療器械中，純鈦網(wǎng)作為骨頭托架，已用顎骨再造手術(shù)；鈦合金制的血管支架更適合人體要求；心率調(diào)節(jié)器和除顫器用鈦的效果良好。（6）強(qiáng)度高、韌性好因外傷、腫瘤等因素導(dǎo)致骨、關(guān)節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關(guān)節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會(huì)受到人體的彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強(qiáng)度和韌性，研究與臨床實(shí)例證明，在人體受力小的部位可以用純鈦，在人體受力大的部位可以用Ti-6Al-4V合金，其室溫抗拉強(qiáng)度TA2不小于440Mpa，TC4不小于895Mpa，完全可以滿足人體植入物的要求。48鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認(rèn)是醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，同使用不銹鋼、鈷基合金等金屬材料相比較，具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，發(fā)展空間很大.隨著經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，以及戰(zhàn)爭(zhēng)等因素，需要進(jìn)行肌體矯正，整容手術(shù)的人越來越多，鈦及鈦合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。49

計(jì)算機(jī)行業(yè)鈦的應(yīng)用－硬盤盤片盤片基材的發(fā)展趨勢(shì)為鋁玻璃鈦美國國際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）推出的Deskstar75GXP及Deskstar40GV，使用玻璃取代傳統(tǒng)的鋁作為盤片材料，是硬盤具有更大的平滑性和更高的堅(jiān)固性和更高的穩(wěn)定性。鈦來制作硬盤則比鋁硬盤片和玻璃硬盤片有更多的優(yōu)越性，TIMET公司從1998年開始小規(guī)模的制作鈦盤片，并取得了發(fā)明專利，通過測(cè)試鈦盤片的性能，認(rèn)為鈦盤片完全可以取代鋁和玻璃盤片。鈦?zhàn)鰹楦咚?、高性能的互?lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)服務(wù)器中的硬盤盤片材料將會(huì)得到快速的發(fā)展，并且有良好的市場(chǎng)前景501、鈦合金強(qiáng)度高，可減少磁盤厚度，提高存儲(chǔ)密度和轉(zhuǎn)速。2、盤片表面光潔度高，可減少讀寫磁頭與磁盤的距離，提高存儲(chǔ)密度。3、表面硬度高，可減少盤片損壞概率。4、盤片剛度高，可較低高速驅(qū)動(dòng)器中因旋轉(zhuǎn)震動(dòng)引起的磁道失真度（TMR）。5、抗震性能好，可使磁盤高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)硬盤生產(chǎn)商測(cè)試，硬盤轉(zhuǎn)速為10000r/min以上的抗震性能優(yōu)于玻璃和傳統(tǒng)的Al—NIP磁盤（鋁盤片）。鈦合金做磁盤的優(yōu)越性516、產(chǎn)成本低，可提高盤片常量；盤片生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)速度快，成批生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)毛片的制造成本（不包括原料費(fèi)和專利權(quán)稅）低于1美元。原料鈦比鋁貴，單比玻璃或陶瓷便宜。在盤片數(shù)量相等的情況下，鈦盤片和鋁（涂鎳的）、玻璃或玻璃—陶瓷盤片相比成本可大幅度降低。7、與目前的Ni—P/Al—Mg工藝相比，生產(chǎn)成本具競(jìng)爭(zhēng)力。而且原材料容易得到，介質(zhì)設(shè)備生產(chǎn)商能夠使用和擁有盤片生產(chǎn)工藝，可直接控制成本。8、具有高溫介質(zhì)沉淀性能，可提高盤片的矯頑力，提高盤片產(chǎn)量。9、無磁性，可阻止磁盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的齒形干擾，10、讀寫磁頭精密度高，提高磁盤性能。鈦合金做磁盤的優(yōu)越性52目前適用做磁盤的鈦合金及其專利最適合硬盤用的鈦合金是（ASTM9級(jí)）（UNSR56320）。該合金在退火條件下具有較高的強(qiáng)度和較好的延性，可以冷軋加工，并就有極好的加工性能，而且愛任何溫度下均無磁性，與目前慣犯用與盤片的5086鋁合金（UNSA95086）想比較有極大的優(yōu)越性。美國鈦金屬公司（TIMET）于1998年投資500萬美元專門成立TitaniumX公司（又名鈦存儲(chǔ)系統(tǒng)（MS）公司和Tulip存儲(chǔ)公司），主要研制生產(chǎn)鈦盤片，期望能帶來20%的利潤，這家位于美國加州的TitaniumX公司開發(fā)了鈦在計(jì)算機(jī)硬盤中的新應(yīng)用領(lǐng)域，測(cè)試了鈦盤片的性能，取得了鈦盤片生產(chǎn)技術(shù)專利。53磁盤用鈦合金市場(chǎng)現(xiàn)狀美國鈦金屬公司（TIMET）于1998年投資500萬美元專門成立TitaniumX公司（又名鈦存儲(chǔ)系統(tǒng)（MS）公司和Tulip存儲(chǔ)公司），主要研制生產(chǎn)鈦盤片，期望能帶來20%的利潤，這家位于美國加州的TitaniumX公司開發(fā)了鈦在計(jì)算機(jī)硬盤中的新應(yīng)用領(lǐng)域，測(cè)試了鈦盤片的性能，取得了鈦盤片生產(chǎn)技術(shù)專利。硬盤盤片的材料的改進(jìn)可克服高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)流障礙，允許更高的數(shù)據(jù)流量，包橫網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。供死的第一個(gè)產(chǎn)品是粗糙的、未拋光的鈦盤片，商標(biāo)為ServerDiskTM。目前正在在主流硬盤驅(qū)動(dòng)器和15000R/min服務(wù)器紅進(jìn)行性能測(cè)試。如果測(cè)試成功，將進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。1976年——2000年間有關(guān)“鈦盤片”的美國專利供有37條日本鋼管公司（NKK）申請(qǐng)的專利，具體的沒見報(bào)道。54磁盤用鈦合金市場(chǎng)展望

計(jì)算機(jī)硬盤盤片的市場(chǎng)很大，發(fā)展迅速。1998年世界盤片產(chǎn)量約為億張。專家分析預(yù)測(cè)硬盤生產(chǎn)速度將以每年10—15%的速度增長，到2002年可達(dá)7億張。TitaniumX公司期望今后4年的市場(chǎng)占有率增長80%。硬盤市場(chǎng)主要有三個(gè)部分：臺(tái)式計(jì)算機(jī)、企業(yè)服務(wù)器和便攜式計(jì)算機(jī)?！づ_(tái)式計(jì)算機(jī)占市場(chǎng)份額最大，1998年，臺(tái)式計(jì)算機(jī)硬盤約占總硬盤交貨的58%，臺(tái)式計(jì)算機(jī)主要考慮成本，其盤片規(guī)格多為英寸直徑、密耳厚?！て髽I(yè)服務(wù)器—硬盤性能是企業(yè)服務(wù)器主要考慮因素。1998年企業(yè)服務(wù)器硬盤約占總硬盤市場(chǎng)的26%。服務(wù)器的主要特點(diǎn)是速度高和容量大，其中10000r/min的服務(wù)器發(fā)汗速度很快，韓劇了較大的市場(chǎng)份額，預(yù)計(jì)其銷售額可從1999年的200億美元上升到2002年的250億美元。1999年，titaniumX公司生產(chǎn)交貨量達(dá)到1億張，盤片價(jià)值3億美元，磁介質(zhì)設(shè)備15億美元?！け銛y式計(jì)算機(jī)——堅(jiān)固性是便攜式計(jì)算機(jī)的主要特性，尤其是筆記本電腦更強(qiáng)調(diào)其堅(jiān)固耐用性。便攜式計(jì)算機(jī)硬盤的發(fā)函趨勢(shì)是使用玻璃和玻璃-陶瓷制成的英寸盤片，1998年該市場(chǎng)份額約占總硬盤市場(chǎng)的10%。55鈦材在核電站和鐵路上的應(yīng)用鈦具有高的比強(qiáng)度，優(yōu)良的耐腐性，在核電站上獲得了應(yīng)用。其具體部件有：透平冷凝器、冷凝器、管板、透平葉片、傳熱管等。核反應(yīng)堆須用大量的冷凝器冷卻，所用的冷卻介質(zhì)---海水腐蝕性強(qiáng)，一般材質(zhì)使用壽命很短，而鈦具有很好的耐海水腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于制冷凝器，取得了良好的效果。其冷凝器的熱面積有5—500㎡，換熱管用￠25×0.5×6000mm、￠19×0.5×