L'alliage de titane est à la pointe de la technologie automobile

Le titane métallique présente les avantages d'une faible densité, d'une résistance spécifique élevée et d'une bonne résistance à la corrosion. L'utilisation de matériaux en titane dans les automobiles peut réduire considérablement la masse corporelle, réduire la consommation de carburant, améliorer l'efficacité du moteur, améliorer l'environnement et réduire le bruit. Cependant, en raison de leur prix élevé, les alliages de titane n'ont que quelques applications dans les modèles de luxe et les voitures de sport de l'industrie automobile, et sont rarement utilisés 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 leur application dans les voitures domestiques ordinaires.

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 s’est développée lentement. Depuis le développement réussi de la première voiture entièrement en titane par General Motors aux États-Unis en 1956, les pièces automobiles en titane n'ont atteint le niveau de production de masse que dans les années 1980. Dans les années 1990, alors que la demande de voitures de luxe, de voitures de sport et de voitures de course augmentait d'année en année, les pièces détachées automobiles en titane se sont développées rapidement. En 1990, la quantité de titane utilisée dans les automobiles dans le monde n’était que de 50 tonnes. En 1997, elle atteignait 500 t. En 2002, elle atteignait 1 100 t. En 2009, il atteignait 3,000t. On s'attend à ce que la quantité de titane utilisée dans les automobiles dans le monde dépasse 5 000 t en 2015. À l'heure actuelle, les types suivants de pièces en alliage de titane sont couramment utilisés.

1. Bielle moteur
L'alliage de titane est un matériau idéal pour les bielles. Les bielles de moteur en alliage de titane peuvent réduire efficacement la masse du moteur, améliorer le rendement énergétique et réduire le volume des gaz d'échappement. Par rapport aux bielles en acier, les bielles en titane peuvent réduire la masse de 15 % à 20 %. L'utilisation de bielles en alliage de titane s'est reflétée pour la première fois dans la nouvelle berline Ferrari 3,5LV8 italienne et dans le moteur NSX d'Acura. Les principaux matériaux utilisés dans les bielles en alliage de titane sont Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V et Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si. Autres matériaux en alliage de titane tels que Ti-4Al L'application du -2Si-4Mn et Ti-7M-4Mo dans les bielles est également en cours de développement.
2. Soupape moteur
Les soupapes de moteur automobile en alliage de titane peuvent non seulement réduire la masse et prolonger la durée de vie, mais également réduire la consommation de carburant et améliorer la fiabilité du véhicule. Par rapport aux soupapes en acier, les soupapes en titane peuvent réduire la masse de 30 à 40 % et la vitesse limite du moteur peut être augmentée de 20 %. En ce qui concerne les applications actuelles, 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 pour obtenir une fragilité plus faible et une résistance plus élevée ; l'ajout de Mo peut améliorer les propriétés de traitement thermique des alliages de titane, améliorer la résistance des alliages de titane de trempe et de vieillissement et augmenter la dureté. D'autres alliages de titane présentant un potentiel de développement comprennent :
1) La soupape d'admission peut être en Ti-62S, qui a des propriétés équivalentes à Ti-6Al-4V et est moins cher.
2) La soupape d'échappement peut être en Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Mo{{7} }.45Si. En raison de sa faible teneur en Mo, sa résistance au fluage est meilleure que celle du Ti-6242S et sa résistance à l'oxydation peut atteindre 600 degrés. .
3) La soupape d'échappement peut être fabriquée en -TiAl, qui présente les caractéristiques de résistance aux températures élevées et de légèreté, mais elle ne convient pas aux méthodes de forgeage traditionnelles pendant le traitement. Il ne convient que pour le traitement de la fonderie et de la métallurgie des poudres.
3. Siège de ressort de soupape
La haute résistance et la résistance à la fatigue sont des propriétés indispensables pour le siège de ressort de soupape. L'alliage de titane bêta est un alliage traité thermiquement qui peut obtenir une résistance élevée grâce à un traitement de vieillissement en solution solide. Les matériaux correspondants les plus appropriés sont Ti-15V-3Cr- 3Al-3Sn et Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors utilise des sièges de ressort de soupape en alliage de titane Ti-22V-4Al dans ses véhicules de production à grande échelle, ce qui réduit la masse de 42 % par rapport aux serrures en acier d'origine, réduit la masse d'inertie de la soupape mécanisme de 6% et augmente le régime moteur maximum. 300 tr/min.
4. Ressort en alliage de titane
Le titane et ses alliages ont un module élastique plus faible et une valeur σs/E plus élevée que les matériaux en acier, ce qui les rend adaptés à la fabrication de composants élastiques. Par rapport aux ressorts automobiles en acier, dans le cadre du même travail élastique, la hauteur des ressorts en titane ne représente que 40 % de celle des ressorts en acier et la masse n'est que de 30 à 40 % de celle des ressorts en acier, ce qui facilite la conception de la carrosserie. De plus, les excellentes propriétés de fatigue et la résistance à la corrosion de l'alliage de titane peuvent prolonger la durée de vie du ressort. Actuellement, les matériaux en alliage de titane qui peuvent être utilisés pour fabriquer des ressorts automobiles comprennent le Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al et le Ti-13V11C-3Al.
5. Turbocompresseur
Les turbocompresseurs peuvent améliorer l’efficacité de la combustion du moteur ainsi que la puissance et le couple du moteur. Le rotor de turbine du turbocompresseur doit fonctionner longtemps dans des gaz d'échappement à haute température supérieure à 850 degrés, 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 bonne résistance aux températures élevées, leur application est limitée en raison de leur coût élevé et de leur incapacité à optimiser leur forme. Afin de résoudre ces problèmes, Tetsui et d’autres ont développé le rotor de turbine TiAl. Après de nombreux tests, il a été vérifié qu'il présente non seulement une bonne durabilité et efficacité, mais qu'il peut également améliorer l'accélération du moteur. Cette conception a été commercialisée avec succès sur la série Mitsubishi Lancer Evolution.
6. Système d'échappement et silencieux
Le titane est largement utilisé dans les systèmes 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 améliorer l'efficacité de la combustion du carburant. Par rapport aux systèmes d'échappement en acier, les systèmes d'échappement en titane peuvent réduire la masse d'environ 40 %. Dans les voitures de la série Golf, la masse du système d'échappement en titane peut être réduite de 7 à 9 kg. Actuellement, le titane utilisé dans le système d’échappement est principalement du titane pur industriel.
Le silencieux en titane ne pèse que 5 à 6 kg, ce qui est plus léger que l'acier inoxydable et les autres silencieux. La Chevrolet Corvette Z06 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 remplacé conserve sa solidité et rend la voiture plus rapide, plus flexible et plus économe en carburant. Le matériau en titane utilisé dans le silencieux est également principalement du titane pur industriel.
7. Partie du châssis
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 très bon matériau utilisé pour fabriquer les carrosseries de voitures. Il a non seulement une résistance spécifique élevée, mais également une bonne ténacité. Au Japon, les constructeurs automobiles choisissent des tubes soudés en titane pur pour fabriquer les châssis. Ce type de cadre peut permettre aux conducteurs de se sentir en sécurité lorsqu'ils conduisent.
8. Autres pièces en alliage de titane
En plus des composants ci-dessus, le titane est également utilisé dans les culbuteurs de moteur, les ressorts de suspension, les axes de piston de moteur, les fixations automobiles, les écrous de roue, les poutres saillantes de portes automobiles, les supports d'engrenages automobiles, les pistons d'étrier de frein, les boulons d'axe, les pièces automobiles à pression telles que plaques, boutons de changement de vitesse et disques d'embrayage automobile.

1.Avantages

Les alliages de titane présentent les avantages d'un poids léger, d'une résistance spécifique élevée et d'une bonne résistance à la corrosion, ils sont donc largement utilisés dans l'industrie automobile. L'utilisation la plus courante des alliages de titane concerne les systèmes de moteurs automobiles. L’utilisation d’alliages de titane pour fabriquer des pièces de moteur présente de nombreux avantages, principalement reflétés dans :
1) La faible densité de l’alliage de titane peut réduire la masse inertielle des pièces mobiles. Dans le même temps, les ressorts de soupape en titane peuvent augmenter les vibrations libres, affaiblir les vibrations du corps et augmenter le régime moteur et la puissance de sortie.
2) Réduire la masse inertielle des pièces mobiles, réduisant ainsi la friction et améliorant le rendement énergétique du moteur.
3) Le choix d'un alliage de titane peut réduire la contrainte de charge des pièces associées et réduire la taille des pièces, réduisant ainsi le poids du moteur et de l'ensemble du véhicule.
4) La réduction de la masse inertielle des composants réduit les vibrations et le bruit et améliore les performances du moteur.
L’application d’alliages de titane dans d’autres composants peut améliorer le confort du personnel et l’esthétique des voitures. Dans les applications de l'industrie automobile, les alliages de titane ont joué un rôle inestimable dans les économies d'énergie et la réduction de la consommation.
2. Restrictions d'application
Bien que les pièces en alliage de titane possèdent des propriétés supérieures, il reste encore un long chemin à parcourir avant que le titane et ses alliages soient largement utilisés dans l'industrie automobile. Les raisons incluent le prix élevé, une mauvaise formabilité et de mauvaises performances de soudage.
Avec le développement de la technologie de forme presque nette 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 des alliages de titane ne sont plus les facteurs clés limitant l'application du titane. alliages. La principale raison pour laquelle il est largement utilisé dans l’industrie automobile est son coût élevé.
Qu’il s’agisse de la fusion initiale du métal ou de sa transformation ultérieure, le prix des alliages de titane est bien plus élevé que celui des autres métaux. Le coût des pièces en titane que l'industrie automobile peut accepter est de 8 à 13 dollars américains/kg pour les bielles, de 13 à 20 dollars américains pour les soupapes et de 8 dollars américains/kg pour les ressorts, les systèmes d'échappement des moteurs et les fixations. En dessous de USD/kg. Le coût actuel des pièces produites avec des matériaux en titane est bien supérieur à ces prix. Le coût de production des plaques de titane est généralement supérieur à 33 dollars américains/kg, soit 6 à 15 fois celui des plaques d'aluminium et 45 à 83 fois celui des plaques d'acier.
État de la recherche sur les alliages de titane pour automobiles

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Actuellement, la réduction des coûts constitue le principal axe de recherche sur les alliages de titane utilisés dans l’industrie automobile. Compte tenu des caractéristiques de la répartition des coûts des alliages de titane utilisés dans l'industrie automobile, les chercheurs et développements de matériaux atteignent principalement l'objectif de réduire les coûts sous les deux aspects suivants : développer de nouveaux systèmes d'alliages à faible coût et utiliser de nouvelles technologies de traitement et de préparation. .

1. Nouveau système en alliage de titane à faible coût
Des travailleurs de divers pays développent de nouveaux systèmes d'alliage de titane à faible coût, en se concentrant principalement sur les aspects suivants : la conception d'alliages utilisant des éléments en alliage bon marché et la conception d'alliages pour améliorer les caractéristiques de traitement. Parmi eux, le Japon et les États-Unis sont représentés. mon pays a également développé avec succès deux alliages de titane à faible coût, à savoir Ti8LC et Ti12LC. Dans la conception de composants en alliage de titane à faible coût pour véhicules, les éléments en alliage bon marché couramment utilisés comprennent 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 au cours du processus de production. Par conséquent, en termes de réduction des coûts, la manière de réduire les coûts de traitement de l’alliage de titane est devenue une direction de recherche clé. La recherche dans ce domaine est principalement divisée en deux aspects : l’un consiste à améliorer le processus traditionnel de moulage et de forgeage, et l’autre consiste à adopter la technologie de forme quasi nette de la métallurgie des poudres.
Dans le développement de nouveaux procédés de forgeage, le forgeage à froid constitue actuellement l’une des méthodes les plus prometteuses pour fabriquer des pièces automobiles à partir d’alliages de titane. L'alliage de titane bêta a une faible résistance à la déformation à température ambiante et est bon pour la découpe et le formage. C'est un matériau qui peut être forgé à froid. Actuellement, le Japon a développé trois alliages de titane bêta déformés à froid. L'alliage de titane bêta présente également certains inconvénients. Il est sujet à une déformation inégale lors du forgeage à froid et adhère facilement au moule. Par conséquent, la production en série de pièces en alliage de titane bêta à l’aide de la technologie de forgeage à froid nécessite une exploration et un développement plus approfondis.
La métallurgie des poudres est une technologie très importante pour réduire les coûts de traitement des alliages de titane. Dans la fabrication de pièces automobiles par métallurgie des poudres, la méthode traditionnelle de pressage-frittage est toujours dominante, comprenant principalement la méthode des poudres élémentaires (BE) et la méthode des poudres préalliées (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 vu le jour, notamment la technologie de formage au laser, le moulage par injection de poudre métallique (MIM) et d'autres technologies. Ils ont été largement utilisés dans la production d’essais et la production de pièces automobiles complexes, ce qui peut considérablement raccourcir le développement de produits. et le cycle de production, réduisant encore les coûts.
Conclusion
La nouvelle génération de conception automobile accorde plus d'attention à la carrosserie légère, à la faible consommation de carburant, au faible bruit et aux légères vibrations du moteur pour répondre aux exigences de plus en plus exigeantes de l'environnement. Dans ce contexte, le titane, métal léger, deviendra un matériau d’application majeur pour les automobiles du futur.
Un examen approfondi de l'état actuel de la recherche sur les alliages de titane à faible coût pour les véhicules permet de constater que, afin de réduire davantage le coût des alliages de titane pour les véhicules, la recherche devrait principalement se concentrer sur les aspects suivants :
1) En termes de développement de systèmes d'alliages à faible coût, essayer de développer des systèmes d'alliages qui n'utilisent pas d'éléments d'alliage ou des éléments d'alliage moins coûteux sans affecter les performances, et en même temps exploiter pleinement les alliages de titane recyclés.
2) En termes de développement de processus de coulée et de forgeage, évoluer dans le sens du développement d'alliages de titane bêta et d'alliages de titane déformés à froid, et mener des études de faisabilité sur leur production en série.
3) En termes de 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 comme pièces automobiles. Les alliages de titane joueront à terme un rôle important dans la production de l’industrie automobile.