新能源车辆轻量化设计安全性与经济性原则下高强度钛合金的应用瓶颈（高成本/加工难/回收难）与优化策略及行业规模化应用前景分析

随着全球工业化的深入推进和人类社会的高速发展，能源消耗和环境污染问题日益严重｡汽车工业作为全球最大的能源消费者之一，具有巨大的能源消耗和环境污染压力｡以新能源为代表的清洁能源汽车逐渐成为未来的发展趋势，其中电动汽车因其零尾气排放､低运行成本以及优越的动力性能，被认为是最有可能替代传统内燃机汽车的新能源车型 [1-3]｡

如何提升能源效率､降低能耗､减少二氧化碳排放已成为当前的新能源汽车的关键研究项目｡其中，车辆的轻量化设计为一种高效且实用的解决策略｡轻量化设计不仅能有效减轻车辆质量，进而降低能耗，同时也有助于提升车辆的动力性能及驾驶安全性｡鉴于车辆质量对汽车能源效率及性能具有直接且显著的影响，为实现新能源汽车的轻量化设计目标，国内外开始进行各类新型轻量化材料研究和运用｡其中，钛合金以其卓越的力学性能和相对较低的密度即高比强度，展现出巨大的应用潜力，成为备受瞩目的轻量化材料之一 [4-6]｡近年来，高强度钛合金在新能源汽车轻量化设计领域的应用研究已取得一系列重要成果｡但是仍然存在一些亟待解决的问题，主要表现为钛合金生产成本高､加工难度大以及连接技术，环境适应性问题等限制了其在新能源汽车行业的广泛应用 [7-9]｡

本文旨在探究高强度钛合金在新能源汽车轻量化设计中的应用潜力｡主要内容包括研究高强度钛合金的力学性能和结构特性，探索高强度钛合金在新能源汽车轻量化设计中的应用；探索钛合金在新能源汽车轻量化设计中的应用策略，提高其适用性｡

1、高强度钛合金材料的基本特性

高强度钛合金是以钛为基体，添加铝､钒､锆以及其它一些微量元素作为合金元素组成的合金｡其中合金元素分为 α 稳定元素、β 稳定元素以及中性元素，按照合金的基体组织主要分为 α 型钛合金、β 型钛合金、α+β 型钛合金。高强度钛合金具有优秀的力学性能､良好的耐腐蚀性能和较高的比强度｡其中，力学性能主要体现在高强度､高硬度､良好的塑性和韧性以及优秀的耐疲劳性能；耐腐蚀性能主要体现在优秀的耐酸､碱､盐和湿气腐蚀性能，以及较高的耐高温氧化性；比强度体现在在保持高性能的同时，其自重较轻，密度为 4.51g/cm³，约为钢的一半，因此用其制作的汽车零部件在保证强度的同时可以很显著的减重，同时其还具备远优于钢铁的耐腐蚀性和抗氧化性｡

1.1 力学性能及耐腐蚀性能

高强度钛合金的力学性能主要体现在其高强度､高硬度､良好的塑性和韧性以及优秀的耐疲劳性能｡具体来说，高强度钛合金经过热处理后的抗拉强度可以达到 1000~1400MPa, 硬度可达到 300~400HB, 同时具有良好的韧性和耐疲劳性能｡典型的钛合金牌号有 Ti-1023､Ti-5553 等 β 型钛合金，以及 TC4､TC18 等 α+β 型钛合金。

高强度钛合金的耐腐蚀性能主要体现在其优秀的耐氧化性和耐各种腐蚀介质的性能｡在 300~500℃的高温氧化环境中，钛合金可以形成一层致密的氧化膜，有效防止进一步的氧化｡同时，高强度钛合金对酸､碱､盐等腐蚀介质具有良好的耐腐蚀性能｡

1.2 制备工艺

高强度钛合金的制备工艺主要包括熔炼､铸造､塑性加工 (冷､热加工), 焊接､冲压等方式｡通过固溶强化､析出强化､加工硬化､细晶强化以及新型的增材制造方式进行钛合金的强化｡熔炼是制备钛合金的首要步骤，主要通过真空电弧炉熔炼，将海绵钛以及各种合金原料或者中间合金按照标准规定的比例混合并制备电极，然后熔炼成钛合金铸锭｡锻造是将熔炼得到的钛合金铸锭通过压机或锻锤进行塑性变形，得到所需要的形状｡用于制备锻件成品，或者是制备棒坯､板坯等下道工序所需要的半成品坯料｡

由锻造得到的坯料，根据不同的成品要求，经过轧制､挤压､拉拔等工序加工，得到所需的产品形状，诸如板材､棒丝材､管材等｡制备得到的成品需要进行热处理，用于消除加工产生的应力，改变钛合金的内部组织结构，达到改善性能的目的｡采用的常见的热处理方法有退火､淬火加时效处理等｡

2、新能源车辆轻量化的要求

2.1 设计理念

新能源车辆轻量化是新能源汽车行业追求的一个重要目标｡新能源汽车轻量化的意义主要体现在以下几个方面：减少能源消耗､降低环境污染､提高驾驶舒适性､提升车辆性能等｡新能源车辆的轻量化可以有效地降低车辆的自重，从而减少能源消耗，提升续航里程｡同时，新能源车辆轻量化也能降低制造过程中的能源消耗和环境污染，有助于实现汽车产业的绿色､可持续发展 [10-13]｡新能源车辆轻量化设计需要遵循以下几个原则：安全性原则､经济性原则､环保性原则､舒适性原则和精益求精的原则 [14-15]｡

(1) 安全性原则｡在减轻车辆自重的同时，不应以牺牲车辆结构安全｡无论采用何种设计方法，都应符合产品及相关部件的规范要求｡必须保证车辆结构稳定､满足各项参数标准｡要保证车辆的操控性､稳定性等性能不受影响，甚至有所提升要通过有限元模型分析､碰撞试验､实车路试等方法，验证设计方案的合理性，确保车辆在各种工况下的安全性｡

(2) 经济性原则｡需要充分考虑材料和制造工艺的经济性，应考虑到生产成本的控制｡需要综合考虑材料的成本､加工性能､回收利用率等因素，确保材料的经济性｡避免使用过于昂贵或难以获取的材料和工艺｡避免因为追求轻量化而增加车辆的制造成本｡所选用的轻量化方案应能够提升车辆的市场竞争力，包括价格､性能､外观等方面｡材料选择原则轻质高强，优先选用密度低､强度高的材料｡降低车辆重量，同时保持或提升车辆的强度和刚度｡

(3) 环保性原则｡设计应用的材料和制造工艺，需要符合环保要求，减少排放，保护环境｡

(4) 舒适性原则｡设计在保证车辆性能的同时，也要注重驾驶舒适性，提升驾驶者的体验｡

(5) 精益求精的原则｡新能源车辆轻量化设计需要不断改进和优化，追求更高的性能和更好的经济效益｡通过重新迭代､规划材料的分布方式，去掉车身的冗余部分，使车内零部件做到薄壁化､小型化｡尺寸形状优化：在确定车身结构参数后，对各个桁架结构进行尺寸形状优化，找到合适的横截面积､几何尺寸以及节点位置，以达到基本刚度标准并减轻重量｡不断采用先进的制造工艺和连接技术，如激光焊接､热成型等，以提高零部件的制造精度和连接强度｡持续进行生产流程优化，提高生产效率，降低制造成本｡

2.2 面临的挑战

新能源车辆轻量化面临的挑战和瓶颈主要包括材料､工艺､成本和技术四个方面｡

(1) 材料方面｡轻量化材料的选择是一个重要的挑战｡目前常用的轻量化材料的性能和价格各有不同，如何选择适合的材料是一个重要的问题｡

(2) 工艺方面｡针对不同的轻量化材料，需要研发出相应的生产工艺｡这不仅需要大量的研发投入，还需要具备相应的技术积累和产业链配套｡

(3) 成本方面｡轻量化材料和工艺一般比传统的材料和工艺成本高，如何在保证车辆性能的同时控制制造成本，是新能源车辆轻量化面临的一个重要挑战｡

(4) 技术方面｡新能源车辆轻量化设计涉及到汽车结构设计､材料科学､工艺技术等多个技术领域，需要跨学科的研发团队，技术瓶颈是新能源车辆轻量化面临的一个重要挑战｡

3、高强度钛合金在新能源车轻量化设计中的应用

3.1 在车身结构中的应用

由于钛合金的高强度硬度和轻质特性，使之具有抗碰撞性｡钛合金在车身结构中的可以应用在车门､挡风玻璃框架､行李箱盖和车顶等部位｡此外，钛合金的优秀的耐腐蚀性和耐高温性能，使得其在车身结构的应用中具备较长的使用寿命和良好的稳定性 [16]｡汽车发动机系统是汽车领域使用钛合金最多的部件，钛合金在发动机系统上的应用主要有气门､连杆､曲轴､气门座等零部件｡国外本田汽车公司在 NSX 赛车 V-6 发动机中使用了锻造钛连杆；三菱汽车公司制造的高容量､四缸发动机中使用了钛气门弹簧座，保时捷汽车中也使用了钛连杆｡钛合金气门方面，美国和国外都进行了大量的研究工作，美国目前普遍使用 Ti-6Al-4V 合金制造进气门，使用 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金制造排气门；而国外丰田公司则使用 Ti-6Al-4V/ TiB 合金制备进气门，使用 Ti-Al-Zr-Sn-Mo-Nb-Si/ TiB 合金制备排气门｡这几类钛合金都具有较好的高温力学性能､抗氧化和抗蠕变性能，有效改善了发动机性能，提高了汽车速度｡钛合金气门座在赛车和运动汽车上已得到广泛的应用，每年生产 25 万套以上，主要采用 Ti-6Al-4V 或 Ti-5Al-2Cr-1Fe 合金制备，由于气门座形状比较简单，所以在机械加工方面要求不高，且不需要特殊的表面处理，成本较便宜，在汽车减重方面效果明显｡

钛合金连杆的使用能够有效减轻发动机的质量，提高汽车性能｡目前主要的制备材料为 Ti-6Al-4V 合金｡国外大同株式会社目前正在开发一种两相钛合金 Ti-3Al-2V-0.2Si-0.47Ce-0.27La, 该合金具有良好的切削性，在力学性能､疲劳性能和耐腐蚀性方面也较为优异，期望用在发动机的急加速､急减速的连杆部件上｡

钛合金曲轴目前虽然没有得到广泛的应用，但是国外专门开发的 Ti-3Al-2.5V 合金已经在本田赛车上面得到验证，在有效减轻质量的同时，将发动机转速提高了 700r/min, 证明了钛合金曲轴的优越性｡同时，国外已经在试制 Ti-5Al-2Cr-Fe 合金曲轴，期望钛合金在曲轴部件上得到更加广泛的应用｡

汽车减振悬挂系统的核心部件就是悬簧｡钛合金相比于一般汽车弹簧用钢而言，具有更高的比强度和更低的切变模量，抗疲劳强度也较高，更加适合用作制造汽车减振弹簧｡由于弹簧的挠度和圈数呈正比，与材料的切变模量呈反比，因此，钛合金弹簧在达到相同弹簧反应的情况下，比钢制弹簧需要更少的圈数，有效减轻了弹簧质量，节约了空间｡同时，钛合金弹簧还能够有效提高弹簧的共振频率，提高其使用寿命｡目前大部分的钛合金弹簧都是用单相 β 钛合金制备｡德国大众公司已经在部分汽车上使用了 LupoFSI 钛合金齿轮弹簧，用量约为 3500 辆｡

车体框架部件方面，钛合金较高的比强度，较低的密度以及良好的耐蚀性能，都说明其是良好的车体框架制备材料｡目前，已经有汽车公司在车档支架､制动器卡钳活塞等部件上使用钛合金｡变速器部件中，国外目前正在开发一种高旋压成型法制备钛合金外壳的工艺，与钢制外壳相比，钛合金外壳更好地减轻飞轮的冲击，缓冲效果更好｡另外，钛合金还在汽车紧固件等部件上得到了应用，随着钛合金制备工艺和汽车工业的不断发展，钛合金必将在汽车零部件上得到更多的应用｡

3.2 在电池包架构中的应用

在新能源汽车中，电池包是非常重要的组成部分，其直接关系到汽车的性能和安全｡钛合金材料应用在电池包架构中可以通过减轻电池包的重量，提高车辆的行驶效率｡同时，钛合金的高强度､良好的抗冲击性以及无磁性可以有效保护电池包，在碰撞事故中保障电池的安全｡再者，钛合金优秀的耐腐蚀性能，也可以提高电池包的使用寿命｡

3.3 在底盘系统中的应用

底盘系统是汽车的重要组成部分，其性能直接影响到汽车的行驶稳定性和舒适性｡钛合金在底盘系统中的应用，包括制造悬挂系统､刹车系统等关键部件，一些典型的钛合金零部件见图 1｡

这些钛合金部件由于其高强度､轻质和良好的耐磨性，可以显著提高汽车的行驶性能，同时降低油耗，降低噪音，提高驾驶舒适性 [17-18]｡

3.4 在车辆冷却系统中的应用

车辆冷却系统是汽车的重要组成部分，其工作性能直接关系到汽车的工作效率和安全性｡钛合金在车辆冷却系统中的应用，主要集中在冷却器､水泵､散热器等部件的制造上 (表 1)｡由于钛合金的高强度､良好的导热性以及优秀的耐腐蚀性，这些钛合金冷却部件不仅可以提高冷却效率，保证汽车的正常工作，而且能够在各种恶劣环境下工作，具有较长的使用寿命｡目前，汽车制造中所使用的钛合金零部件主要分布在汽车排气系统､发动机系统､传动和减振系统以及车体框架部分｡

表 1 钛制汽车标准部件的详细应用介绍 [19]

4、挑战和研究展望

4.1 钛合金材料成本

钛合金的成本相对较高，主要体现在高昂的原材料成本和生产加工成本｡钛矿的开采､钛金属原料的提炼较复杂，钛矿原料金红石需要经过氯化，金属镁电解还原等多重工序才能得到海绵钛｡之后还要经过电极制备､真空熔炼才能得到可用的合金铸锭｡钛合金的制备过程都需要大量的能源和时间投入｡此外，钛合金的加工难度大，加工设备昂贵，加工成本高，这些因素共同造成其综合成本高的重要原因｡未来的主要任务应该是通过开发廉价的钛合金材料，降低钛合金原材料的生产成本等方式，降低钛合金零部件价格，通过改善加工工艺提高钛合金零部件的加工效率｡

4.2 钛合金材料及加工难度问题

钛合金的硬度大､塑性好，对切削工具的磨损大，加工效率低｡钛合金的连接主要有焊接和螺纹连接两种方式｡钛合金焊接时需要严格的气氛保护，否则会造成焊缝脆性增大，常采取氩弧焊接或者真空焊箱焊接｡而螺纹连接的强度则低于焊接｡因此，钛合金的连接方式选择是一个技术难题｡另外，钛合金的修复也比较困难，主要是因为钛合金材料的塑性较好，修复后的部位往往强度较低｡

4.3 钛合金材料的回收问题

钛合金的回收主要通过废旧钛合金产品的收集和再生产｡但由于钛合金产品的使用寿命长，且大部分用于高端领域，往往难以大量收集到废旧钛合金产品｡此外，钛合金再生产过程中会产生大量的废弃物和废水，需要进行严格的环保处理，这也增加了钛合金材料的回收难度和成本｡

4.4 钛合金在新能源车辆轻量化中的发展前景

钛合金在新能源车辆轻量化中具有广阔的发展前景｡一方面，随着环保要求的提高，新能源车辆的发展趋势明显，而钛合金作为一种优良的轻量化材料，将会在新能源车辆的制造中发挥重要作用｡另一方面，随着钛合金制备技术的进步，其成本有望进一步降低，这将有助于钛合金在汽车制造中的更广泛应用｡同时，钛合金的优秀性能也使其在新能源车辆的各个系统中都有可能得到应用，包括电池包､电机､底盘､车身等｡总的来说，虽然目前钛合金在汽车制造中的应用还面临诸多挑战，但随着相关技术的进步，钛合金在新能源车辆轻量化中的应用前景十分广阔｡

5、结论

(1) 高强度钛合金在新能源车辆轻量化中的应用效果显著｡其高强度､轻质､耐腐蚀和耐高温等特性使其成为理想材料，应用于车身结构､电池包架构､底盘系统和冷却系统等，能降低重量､提高动力性能和节能效果，同时增强安全性能和使用寿命｡

(2) 钛合金应用也面临成本高､加工难､连接修复和回收等问题，限制了其广泛应用｡但随着科技进步和研发深入，这些问题有望得到解决，如改进生产和加工技术､研发新连接修复技术和建立回收体系等｡

(3) 钛合金在新能源车辆轻量化中的应用具有巨大潜力和广阔前景，技术创新和研发将推动其取得更大突破，为新能源车辆发展做出贡献｡

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（注，原文标题：高强度钛合金在新能源车辆轻量化中的应用）

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