Application des alliages de titane dans la fabrication automobile légère
Le titane et les alliages de titane présentent les caractéristiques d'une faible densité, d'excellentes propriétés mécaniques, d'une bonne biocompatibilité, d'une résistance à la corrosion, d'une résistance à haute température et d'une bonne ténacité à basse température. Ils ont été largement utilisés dans le domaine de la construction automobile. La densité de l'alliage de titane ne représente que 60 % de celle de l'acier, tandis que la résistance peut atteindre plus de 800 MPa. Il conserve toujours de bonnes propriétés mécaniques à environ 500 degrés et possède de bonnes propriétés de soudage et de formage. Il a été utilisé dans la fabrication de voitures de course il y a plus de 20 ans, réduisant considérablement le poids des moteurs de course et améliorant les performances du moteur.
À l'heure actuelle, les pièces en alliage de titane utilisées dans la fabrication automobile sont principalement distribuées dans les systèmes d'échappement, les systèmes de moteur, les systèmes de transmission et de réduction des vibrations et les châssis de carrosserie.
1. Système d'échappement
Les matériaux des systèmes d'échappement automobiles doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques à haute température et une résistance à la corrosion par les éléments S et Cl. Les composants traditionnels des soupapes d'échappement sont en acier inoxydable, mais les utilisateurs ont découvert que les alliages de titane sont plus adaptés à une utilisation comme matériaux de soupape d'échappement en termes de performances.
Le tuyau de retour en titane utilisé dans la nouvelle Chevrolet Corvette Z206 évite efficacement les problèmes de piqûres et de rouille des soudures qui se produisent sur les tuyaux en acier inoxydable, tout en améliorant l'efficacité de la combustion du carburant et les capacités d'accélération, et en raccourcissant les distances de freinage.
Timet, le plus grand fabricant de titane aux États-Unis, s'est engagé dans la recherche, le développement et la fabrication de systèmes d'échappement en alliage de titane. De nombreuses entreprises japonaises ont également mené des travaux de recherche et développement connexes. À l'heure actuelle, Fuji Heavy Industries, Ltd. a une production limitée de 440 jeux de tuyaux d'échappement automobiles en alliage de titane.
2. Système moteur
Le système moteur automobile est la pièce qui utilise le plus d’alliage de titane dans le domaine automobile. L'application de l'alliage de titane dans le système moteur comprend principalement les soupapes, les bielles, les vilebrequins, les sièges de soupapes et d'autres pièces.
Honda Motor Corporation du Japon utilise des bielles en titane forgé dans le moteur NSX Racing V-6 ; Mitsubishi Motors utilise des sièges de ressorts de soupape en titane dans les moteurs à quatre cylindres de grande capacité, et des bielles en titane sont également utilisées dans les voitures Porsche.
(1) Soupape
En ce qui concerne les vannes en alliage de titane, les États-Unis et le Japon ont mené de nombreux travaux de recherche. Les États-Unis utilisent actuellement généralement l'alliage Ti-6Al-4V pour fabriquer des soupapes d'admission et du Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo. alliage pour fabriquer des soupapes d'échappement; tandis que Toyota du Japon utilise l'alliage Ti-6Al-4V/Ti B pour fabriquer des soupapes d'admission et l'alliage Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/Ti B pour fabriquer des soupapes d'échappement. Ces types d'alliages de titane ont de bonnes propriétés mécaniques à haute température, une résistance à l'oxydation et une résistance au fluage, qui améliorent efficacement les performances du moteur et augmentent la vitesse du véhicule.
(2) Siège de soupape
Les sièges de soupape en alliage de titane ont été largement utilisés dans les voitures de course et les voitures de sport, avec une production annuelle de plus de 250 ensembles000. Ils sont principalement constitués d'alliage Ti-6Al-4V ou Ti-5Al-2Cr-1Fe. La forme du siège de soupape étant relativement simple, elle ne nécessite pas d'exigences élevées en termes d'usinage et ne nécessite pas de traitement de surface particulier. C'est relativement bon marché et a un effet significatif sur la réduction du poids de la voiture.
(3) Bielles
L'utilisation de bielles en alliage de titane peut réduire efficacement le poids du moteur et améliorer les performances de la voiture. Le principal matériau de préparation est l'alliage Ti-6Al-4V. La société japonaise Daido Co., Ltd. développe actuellement un alliage de titane biphasé Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La. . Cet alliage a une bonne usinabilité et présente également d'excellentes propriétés mécaniques, propriétés de fatigue et résistance à la corrosion. Il devrait être utilisé dans les parties de bielle du moteur qui sont soumises à des accélérations et décélérations rapides.
(4) Vilebrequins
Bien que les vilebrequins en alliage de titane ne soient pas largement utilisés à l'heure actuelle, l'alliage Ti-3Al-2.5V spécialement développé par le Japon a été vérifié sur les voitures de course Honda. Tout en réduisant efficacement le poids, il a augmenté le régime moteur de 700 tr/min, prouvant la supériorité des vilebrequins en alliage de titane. Dans le même temps, le Japon a testé des vilebrequins en alliage Ti-5Al-2Cr-Fe, dans l'espoir que les alliages de titane seront plus largement utilisés dans les pièces de vilebrequin.
3. Système de réduction des vibrations
Le composant principal du système de suspension à réduction des vibrations automobile est le ressort de suspension. Comparé à l'acier à ressorts automobile général, l'alliage de titane a une résistance spécifique plus élevée, un module de cisaillement plus faible, ainsi qu'une résistance à la fatigue plus élevée, ce qui le rend plus adapté à la fabrication de ressorts amortisseurs automobiles. Étant donné que la déviation du ressort est proportionnelle au nombre de tours et inversement proportionnelle au module de cisaillement du matériau, les ressorts en alliage de titane nécessitent moins de tours que les ressorts en acier pour obtenir la même réponse du ressort, réduisant ainsi efficacement la masse du ressort et économisant de l'espace.
Dans le même temps, les ressorts en alliage de titane peuvent également augmenter efficacement la fréquence de résonance du ressort et augmenter sa durée de vie. À l'heure actuelle, la plupart des ressorts en alliage de titane sont constitués d'un alliage de titane monophasé. Volkswagen a utilisé des ressorts d'engrenage en alliage de titane Lupo FSI sur certaines voitures, avec une utilisation d'environ 3 500 véhicules.
4. Châssis de carrosserie
En termes de composants de carrosserie, la résistance spécifique plus élevée de l'alliage de titane, sa densité plus faible et sa bonne résistance à la corrosion indiquent qu'il s'agit d'un bon matériau pour préparer les carrosseries. À l’heure actuelle, certains constructeurs automobiles utilisent des alliages de titane sur des pièces telles que les supports de vitesses et les pistons des étriers de frein. Parmi les pièces de transmission, le Japon développe actuellement un procédé de préparation de coques en alliage de titane par filage à grande vitesse. Par rapport aux coques en acier, les coques en alliage de titane peuvent mieux réduire l'impact des volants d'inertie et avoir de meilleurs effets tampons.
En outre, les alliages de titane ont également été utilisés dans les fixations automobiles et d’autres pièces. Avec le développement continu de la technologie de préparation des alliages de titane et de l’industrie automobile, les alliages de titane seront sûrement davantage utilisés dans les pièces automobiles.
5. L'importance des alliages de titane pour les véhicules légers
Des instituts de recherche étrangers ont calculé que lorsque le poids à vide d'une voiture diminue de 10 %, la consommation de carburant peut être réduite de 6 à 8 %. D'autres études ont montré que pour chaque réduction de poids de 91 kg, le véhicule moyen peut parcourir 0,43 km de plus par litre de carburant. Par conséquent, avec le développement continu de l'économie chinoise et l'augmentation continue du nombre de voitures, l'allègement des voitures est devenu l'un des moyens importants de réduire la consommation d'énergie et la pollution de l'air.
Les matériaux en titane et en alliages de titane sont actuellement largement utilisés dans les pièces automobiles en raison de leurs excellentes propriétés physiques et chimiques. L'utilisation de matériaux en titane améliore non seulement efficacement les performances et le facteur de sécurité de la voiture, mais joue également un rôle important dans l'allègement de la voiture, réduisant efficacement le poids à vide de la voiture et réduisant la consommation de carburant.
Comparé au système traditionnel en acier inoxydable, l'ensemble buse arrière en titane-tuyau de retour utilisé dans le système d'échappement automobile peut réduire le poids d'environ 8,2 kg. L'utilisation de produits en alliage de titane au lieu de matériaux traditionnels en acier et en fonte dans les pièces du moteur telles que les soupapes et les bielles peut réduire efficacement le poids du moteur.
Selon des recherches menées dans l'industrie automobile japonaise, l'utilisation d'environ 0,8 kg de pièces en titane dans la soupape de puissance d'une automobile équivaut à l'effet obtenu par 20 kg de pièces en acier ; chaque siège de valve en titane peut réduire le poids d'environ 10 g par rapport au siège de valve en acier ; l'utilisation d'un alliage de titane pour les bielles et les vilebrequins est la plus efficace pour réduire le poids du moteur.
Dans le système de réduction des vibrations, chaque ressort en alliage de titane peut réduire le poids de plus de 60 % par rapport au ressort en acier. Calculé sur la base de 4 ressorts de suspension par véhicule, après avoir remplacé le ressort en alliage de titane, chaque véhicule peut réduire le poids de 9 à 13,6 kg. De plus, le poids du silencieux en alliage de titane n'est que de 5 à 6 kg, soit 40 % plus léger que le silencieux en acier inoxydable.
En prenant comme exemple une voiture ordinaire de taille moyenne, si les pièces automobiles existantes en alliage de titane sont utilisées pour remplacer les pièces traditionnelles, le poids à vide du véhicule sera réduit d'environ 1 500 kg à environ 1 000 kg, avec un taux de réduction de poids de 30 %, et la consommation globale de carburant peut être réduite de plus de 20 %, ce qui réduira considérablement la consommation mondiale de carburant et atténuera efficacement les problèmes de pénurie d'énergie et de pollution de l'environnement.
Les données ci-dessus montrent que l'utilisation d'alliages de titane a un effet significatif sur l'allègement des automobiles. Dans l'industrie automobile moderne, la technologie d'application du titane et des alliages de titane dans les pièces automobiles doit être continuellement développée pour augmenter le taux d'application des alliages de titane dans les automobiles. Par conséquent, la tâche principale à l'avenir devrait être de réduire le prix des pièces en alliage de titane en développant des matériaux en alliage de titane bon marché et en réduisant le coût de production des matières premières en alliage de titane, et d'améliorer l'efficacité du traitement des pièces en alliage de titane en améliorant la technologie de traitement. .