1 前言
钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛已日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域，从目前的市场走向来看，在不久的将来钛及钛合金在汽车工业和民用工业领域将得到广泛应用，成为继航天航空、国防工业应用后又一个重要应用领域。目前，钛及钛合金已在体育用品、眼镜架、照像机壳、生物材料和汽车零部件等方面得到广泛的应用，具有巨大的市场前景和经济效益。但钛及钛合金的生产成本较大，限制了其应用量的扩大，所以降低成本、提高其性价比无疑是扩大钛材用量的必由之路。
钛及其合金在汽车行业具有很大的应用潜力，可用做发动机阀门、承座、阀簧、连杆以及半轴、螺栓、紧固件、悬簧和排气系统元件等。在轿车里使用钛，可达到节油、降低发动机噪音及振动、提高寿命的作用。早在20多年前，赛车发动机就使用钛阀和连杆减轻重量，从而降低转矩和功率输出，改善了有关部件偏转等缺点。目前的赛车几乎都使用了钛材，民用高档轿车中钛材也获得了发展。新的低成本原料、合金体系的开发与设计与先进的粉末冶金成型技术结合可望使钛大量进入汽车制造业。
2 发展汽车用钛是时代对新材料的呼唤
冷战结束后，随着世界能源的短缺、环境意识的加强，人们把更多地注意力集中在民用工业上，尤其是汽车工业。美国、日本和欧洲等国先后颁布了有关生态法规，并制定了更高的CAFE(Corporate Average Fuel Efficiency)标准。这些成为目前发展汽车制造业用钛的强大推动力。这是因为使用钛可减轻汽车重量，降低燃料消耗，降低发动机的噪音和振动，延长寿命。为此，许多发达国家和著名的汽车制造商都积极开发并增加在汽车用钛方面的研究投入。1993年美国实施了PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles) 计划，政府每年用于该计划的资金超过1亿美元。该计划对新一代汽车提出了更高的要求，对新一代汽车提出了明确的减重目标(如表1)。
根据设计和材料特性，钛在新一代汽车上主要分布在发动机元件和底盘部件上。在发动机系统，钛可制作阀门、阀簧、阀簧承座和连杆等部件；在底盘部件主要为弹簧、排气系统、半轴和紧固件等。这些都是汽车上的关键部件。以每辆四缸汽车发动机使用3.6kg计算，可使发动机自重减轻2.3kg，如果全世界每年有100万辆汽车使用这种发动机，钛合金用量将达到3600吨。现在美国每年可生产1500万辆～1600万辆汽车，若每辆车上有1kg～1.5kg的钛部件，则美国的钛市场交货量将增加近1倍，达到15 000多吨。可见，汽车用钛是一个非常庞大的市场，一旦钛在汽车工业中得到广泛应用，钛材的用量将远远超过目前在航天航空工业中的用量。
3 低成本钛合金在汽车工业上的应用研究进展
钛制汽车阀门可以用热锻法、精密铸造法和粉末冶金法生产。钛汽车连杆首次应用是在Acura NSX V-6本田汽车上，该产品用铸锭热锻Ti-3Al-2V-(La,Ce)S 合金制成，该法原材料利用率底，锻造加工成本高。为了降低成本，日本金属材料研究所的M.Hagiwara和韩国机械与金属研究所的Song-Joon Kim采用元素混合法把HDH粉末、合金粉末和强化相粉末均匀混合，经真空烧结后热等静压制成两种低成本的合金。据称，这两种合金的拉伸、蠕变和疲劳性能都优于Ti6242/TiB2性能；日本丰田公司Saito等采用改进的元素混合法把钛粉适当处理，再经烧结后达到高密度。这不仅大大改善了其组织，而且疲劳强度也比采用热等静压处理的材料高。1998年，日本丰田公司用粉末冶金与压力加工相结合的方法研制了钛合金吸气阀和排气阀，安装在Altezza家用轿车。为了克服钛合金固有的缺点，提高耐磨性、耐热性和刚性，他们选择TiB硬质颗粒作为强化相。采用这种钛阀门的新型发动机与旧的发动机相比，气门重量减轻40%，发动机最高转速提高500r/min，高速的运转噪音降低30%，凸轮驱动转矩降低20%。钛制汽车阀门一直是粉末冶金钛方面研究的重要课题，我国已经用热压法进行了TiAl合金阀的研制；钛制汽车喷油嘴耐高温，耐磨损，质量轻，也是开发产品之一。汽车喷油嘴形状复杂，尺寸小，STERAUCHI 等用MIM 法研制了Ti-Al金属间化合物和50Ti-47.6Al-2.6Cr合金汽车喷油嘴，该喷油嘴烧结后性能及尺寸精度都达到了使用要求。
1996年在Lagvgas召开的国际钛协会展览会议上展示了Timet公司用工业纯Ti制造的钛汽车排气系统。随后Chrgslor和GM公司制出了纯钛排气系统的商用样机，大规模的生产评估正在进行；同时GM公司还在进行Timetal-625和Timetal-LCB轮轴的研究，并正在考虑把这种合金投入批量生产。另外在美国的高性能汽车NSX Acura也使用了钛制连杆，这是批量生产汽车连杆用钛的一个实例。在日本最初使用钛的汽车是“日产R382”型汽车，目前已在新型丰田矫车采用了P/M钛制气阀，而连杆的应用也在评估之中。另外，美国Allied Signal公司制造出了本迪克斯牌表面钛涂层汽车刹车片，也即将上市，预计每年产销几百万件。美国两大汽车公司(Ford和GM)研究出新型V-TiAl气阀，并正在评估，据说改进后的阀不久将在汽车上使用。根据GM公司的最新规划，2004年钛制汽车连杆将用于V6发动机上，2004年的需求量在7000-100 000件左右；Toyota公司也正在推广钛制气阀在发动机上应用，同时进行连杆的应用评价等工作。
4 低成本钛合金的国内外现状及发展趋势
虽然钛用于汽车能减轻重量，提高性能，但成本问题限制了它的广泛应用。因为目前汽车工业所能接受的价格远远低于目前市场上钛材的价格。钛的成本比钢和铝的高得多：矿的成本，钛是钢的15倍，铝的3倍；而板材成本，钛是钢的50倍～83倍，铝的10倍～15倍。在钛的总成本中，海绵钛生产工序和钛的加工工序占据很大比例，如何降低成本呢？世界各国，尤其是美、日、俄等都在积极地寻找降低成本的方法和工艺。为了降低生产成本，人们主要在两个方面作了大量的工作，一是开发低成本的新的合金体系，二是改进生产工艺，降低生产成本。
钛合金成本高的原因之一是高成本的合金化元素。通常钛合金多以价高的V等作为合金化元素来提高强度，而这些合金化元素又多以Al-X作为中间合金添加。以廉价的Fe，Cr等取代V，是降低钛成本、扩大其民用市场份额的一种很有效的合金化方法。美国Timet公司为取代价格较高的Ti-1023而开发的高强钛合金Ti-1.5Al-6.8Mo-4.5Fe（Timetal LCB）和汽车用钛Ti-6Al-1.7Fe-0.1Si（Timetal 62S），均使用了很便宜的Fe作为合金化元素。在Timetal LCB中的Fe以廉价的Fe-Mo中间合金形式添加，合金可以像钢一样冷加工或温加工，性能与Ti-1023相当；Timetal 62S的性能优于Ti-6Al-4V，成本视产品形式可降低15%～20%。RMI发展的低成本钛合金Ti-6.4Al-1.2Fe同样添加了较便宜的Fe，可惜该合金没有实用。日本在降低钛合金成本方面更是做了大量工作：为文体用品市场开发的TIX（Ti-Fe-O-N）系列合金，由于使用价格低廉的Fe、O、N而使合金成本大大降低，同时强度提高，热加工性能明显改善；在低成本耐蚀钛合金Ti-0.5Ni-0.05Ru（TICOREX），Ti-0.03～0.08Pd和Ti-0.03～0.08Pd-0.2～0.7Co(SMI-AGE系列)及Ti-0.4Ni-0.01Pd- 0.02Ru-0.14Cr(AKOT)中，加入Ru或减少Pd的含量，同时添加Co或Cr，合金的耐蚀性能均可与Ti-0.15Pd媲美，但其价格和加工性能却与纯钛相当；日本Daido公司和Hendo公司的DTA52F合金就是通过添加S、Ce、La等元素来改善Ti-3Al-2.5V合金的机加工性能，形成的易切削合金，加工率提高了50%～70%，因它对急速变化有极好的适应性，用它已制发动机连杆(反向连接杆)；SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）是为了得到冷、热加工性能优于Ti-6Al-4V合金而设计的一种富b的a+b合金，且有低温超塑性，以其良好的超塑成形性降低了加工成本，其超塑性成形温度显著低于Ti-6Al-4V。钛合金Ti-3Al-2.5V-0.2S-0.47Ce-0.27La(DAT52F) 是日本大同钢公司与本田公司合作开发的汽车连杆用钛合金，具有良好的加工性能，其钻孔加工率比Ti-3Al-2.5V提高50%～70%，切削效率提高20%～30%；住友金属工业公司为镜架和手表用材开发的高强、冷加工性能良好的钛合金Ti-10Zr，在无中间退火的情况下，冷加工率达90%以上。
在开发廉价低成本Ti合金的同时，人们把更多的注意力放在降低原材料(如海绵钛、钛粉末)的生产成本。工业上普遍使用的、几十年前建立的Kroll镁还原工艺是一种非连续的海绵钛生产工艺，能耗高，生产周期长，并使用大量的金属镁作还原剂，生产成本较高。因此，低成本连续生产海绵钛或钛粉的工艺一直是人们追求的目标。在1953年～1955年，美国Clevite公司就提出在真空中用镁气相还原TiCl4生产钛粉的构想，尽管能连续生产，但存在难以避免气体污染和控制镁的送料的问题。后几经改进，生产成本虽可降低20%～40%，但产品的最终分离与净化、产品的均匀性、反应过程的控制等问题有待解决；金属氢化物还原法是前苏联60年代提出的用CaH2还原TiO2生产钛粉的方法，美国曾对此作了大量的研究和改进。该方法生产的钛粉中氯含量很低，成本是目前已知的生产高质量钛粉工艺中最低的。但要工业化还需做几方面改进：①增加反应物而带来的纯度等问题；②氢化钛颗粒的可控技术；③优化工艺参数进而降低能耗；④改进浸出工艺进一步降低污染和杂质；1953年，镁法生产海绵钛的创始人Kroll曾预言，15年后TiCl4电解还原将取代镁还原法生产海绵钛，但48年过去了，电解法一直处于实验室研究阶段，未能实现工业生产。在此期间美国曾建造了两条电解生产线，但因无法控制钛与氯的逆反应而关闭。最近，英国剑桥大学在电解工艺的开发上有所突破，并在实验室内将金红石型的TiO2颗粒在950℃的熔盐中直接还原成多孔金属钛。钛颗粒尺寸约12μｍ，成本降低40%，且生产周期短，但工业化生产仍有困难；与采用TiCl4或金红石作原料的方法相比，AlTi法则采用价格更为便宜的钛铁矿作原料，不足之处是钛易受Si、O和Zn污染。除上述方法外，还有等离子法、氢还原法、碳还原法、电子介入反应法等，但基本上都处在实验室水平。要取代Kroll镁还原工艺，步入工业化生产，还有很多技术难题需要解决，道路还很漫长。
加工技术方面，占总成本60%以上的加工成本是各国降低成本研究的重点。近净成型加工工艺是降低成本的重要手段。粉末冶金近净成型技术以其特有的优势，成为一种高产量、低成本生产近成品形状部件的方法，在制备汽车等零部件方面受到人们日益重视。
5 粉末冶金钛合金在汽车工业上的发展和应用
由于粉末冶金技术是一种高产量、低成本生产近净成型部件的方法，它基本上不需要进一步加工或精整，可以很好地控制尺寸且零部件的稳定性和可再制性极好，而且均匀性和机械性能可以完全得到保证，研究表明，与熔铸加工相比，采用粉末冶金技术制造钛制品具有突出的加工成本低、材料利用率高等优势，而且随着现代制造技术和设备的不断进步，这种优势还在扩大。目前汽车粉末冶金零件大部分处于汽车的关键部位，例如日本汽车粉末冶金零件73%用于发动机和变速箱，其中连杆、阀座、阀、带轮、同步器齿毂、同步环等都是复杂且要求高的关键零件。虽说汽车用钛(除赛车外)是近几年的事，但已取得了许多进展。人们针对汽车用钛，在低成本钛粉末制备、P/M钛合金研究和汽车零件制备取得了一系列进展，把P/M钛汽车零件向实用化推进了一步，可望在汽车的许多部位使用钛粉末冶金零件,如连杆、凸轮轴、阀门、阀座等。目前粉末冶金钛产业正处于新兴产业的飞速发展阶段，主要包括三个层次：高质量低成本钛粉末制备技术及其产业化；钛粉末冶金件的制备技术；全面的市场化推广应用。
开发钛粉末冶金汽车零件首先必须降低原始粉末的成本。从现有的资料来看，适合于汽车工业用的主要有海绵钛粉法，氢化脱氢法(HDH)和金属氢化物还原法。从目前存在的各种方法来看，在汽车行业能够推广并且获得直接应用的是HDH粉末，这种方法已经成熟且各种性能已经得到实验验证，但还必须在氧含量和成本控制上做许多工作；金属氢化物还原法是现在和将来重点研究的对象，它不仅在成本上可以满足汽车工业的需要，而且有极低的氯含量，可推广到更多的应用领域，但目前还缺乏适合工业化生产的技术以及对粉末性能的整体评价的方法和标准；海绵钛法因获得细粉末的产出率极低，只能满足现阶段研究应用，不可能供给大量的粉末以适应汽车工业的需求；近年来，雾化法在国内外获得了巨大发展。雾化粉末呈球形，氧含量低，价格高，是HDH 粉末5倍～6倍，采用常规压制不易成形，因而在汽车等低成本民用工业上的应用受到很大的限制。它的主要应用对象是MIM工业，但目前300目以下的粉末获得率低，严重影响了其应用。
氢化脱氢法(HDH)是1955年美国人发明的制取钛粉的经典方法，由于该方法生产的粉末粒度范围宽、成本低，对原料的要求不苛刻，工艺较易实现，经过多年的改进和推广，目前已成为国内外制取钛粉的主要方法。我国是采用此法生产钛粉的主要国家，广泛用于冶金、化工、医学等民用部门和航天航空等部门。但这种方法制备的粉末往往氧、氮等含量偏高。80年代，西北有色金属研究院采用高质量氢化脱氢工艺(HHDH)把铸锭氢化脱氢制备出了低氧、氮、氯的高质量粉末，其性能接近PREP粉末，具有良好的力学性能。近年来，日本东邦采用此法生产出了高质量的TC系列粉末。但目前的工艺路线成本高，还无法在汽车工业上推广应用。近来，在低成本低氧汽车用钛粉末的研究日益活跃。日本东邦钛公司利用改进的HDH工艺制备出粒度小于150mm、氧含量小于0.15%的钛粉，并申请了一系列专利。在此研究的基础上，东邦钛公司投资10亿日元建造了年产30t HDH法钛粉生产线，所产钛粉拟用于制备汽车零部件及其它机械零件。但据业内人士透露，目前成本仍然太高，无法在汽车行业得到推广；西北有色院近来对早期HDH和HHDH工艺做了研究和改进，在氢化、脱氢等工艺方面取得许多新的突破，如快速氢化技术、可选择破碎技术、先进脱氢技术和全封闭气体保护制粉技术等，已能生产出平均粒度小于75mm、氧含量小于0.20%的粉末，建成30吨低成本高质量钛粉末中试生产线。目前在动态氢化脱氢技术、大块物质脱氢技术、氢气的再利用技术、粉末的包装和安全运输等方面正加大研究力度，有望为汽车用P/M零件提供稳定的钛粉末；广州有色金属研究院在HDH工艺的基础上开发出了等离子脱氢和球化处理工艺，这为进一步降低生产成本、改善粉末的流动性提供了一个新的方法，可望与雾化粉末在粉末注射成形领域形成竞争态势，但仍需在氧含量控制、粉末性能评价等方面做许多工作。
在粉末冶金汽车零部件制造方面，传统的压制-烧结仍然占主导地位，其它粉末冶金技术不断涌现，进一步降低了生产成本。如：激光成型技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据计算机模型，可直接用合金粉末一次成型形状复杂的最终零件，制造出的钛零件性能介于铸造和锻造状态之间，而成本降低15%～30%，交货时间缩短50%～75%；金属粉末注射成形技术（MIM）是发展较快的一种近净成型粉末冶金技术，可制造高质量、高精度的复杂零件，被认为是目前最有优势的成型技术之一。但钛粉末的MIM技术刚刚起步，需要解决的问题有：（1）超细低成本球形钛粉末的制备技术；（2）粘结剂的选择和去除工艺；（3）间隙元素的去除。
6 结束语
钛及其合金在汽车行业具有很大的应用潜力，但还必须进一步降低成本至汽车行业可以承受的水平，钛才能进入汽车制造业，使之成为继航天航空工业之后又一个大的应用领域。
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