Titanium vật liệu đa dụng nhưng tốn kém trên ôtô

Titanium mang lại hiệu suất và lợi ích tiết kiệm trọng lượng nhờ độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt.

Titanium (Titan) được phát hiện vào năm 1791 bởi William Gregor tại Cornwall, Anh. Ban đầu, chất liệu này được đặt tên là Gregorite, nhưng sau đó nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth đặt tên là Titan theo tên vị thần trong thần thoại Hy Lạp với ý nghĩa “hiện thân của sức mạnh tự nhiên”.

Titan có đặc tính ưu việt là nhẹ, khối lượng riêng chỉ 4.510 kg/m3, ít hơn khoảng 60% mật độ so với thép, độ bền riêng cao, chịu nhiệt ở mức 1.650 độ C (cao hơn mức 1.147 độ C của thép). Titan có tính thụ động cao, do đó có thể chống ăn mòn cao đối với axit khoáng và axit clorua.

Ước tính 94% titan ở dạng dioxide (TiO2), 6% còn lại ở dạng kim loại và hợp kim. Titan được áp dụng trong nhiều lĩnh vực gồm công nghiệp hóa chất, nông nghiệp, y tế và tạo ra các hợp kim nhẹ, bền cho ngành hàng không vũ trụ. Ngành công nghiệp ôtô mới chỉ sử dụng phổ biến và rộng rãi trong khoảng 20 năm gần đây.

Trong công nghiệp ôtô, ứng dụng của titan chiếm khoảng 40% các bộ phận trên ôtô. Các chi tiết như thanh kết nối, van động cơ, lò xo, bộ tăng áp, ống xả, bộ giảm thanh, khung xe, đĩa phanh nếu sử dụng titan có thể mang lại nhiều ưu điểm nổi bật so với các chất liệu khác như thép, gang, nhôm.

Hợp kim titan lần đầu tiên sử dụng trong ôtô là chiếc GMC Firebird II vào năm 1956, tiếp đó là NSX V6 được sản xuất hàng loạt. Sau đó vào năm 1998, vật liệu hợp kim titan được sử dụng trong các van động cơ của chiếc mui trần từng đoạt giải thưởng của Toyota. Ngoài ra, các hãng xe Nhật Bản khác cũng dùng titan trên mẫu xe của mình như Honda S2000 và Type R. Một số mẫu xe ở châu Âu cũng sử dụng titan trong sản xuất trục kết nối.

Hệ thống ống xả bằng Titan của Rypt trên chiếc Aventador SVJ.

Titan được biết đến nhiều nhất khi sử dụng trong hệ thống ống xả của ô tô. Hệ thống ống xả làm bằng titan giúp kéo dài tuổi thọ, tăng thẩm mỹ, giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và giảm tiếng ồn.

So với hệ thống ống xả bằng thép không gỉ, trọng lượng của hệ thống ống xả Titan có thể giảm khoảng 40 %. Ví dụ trên xe Volkswagen Golf, trọng lượng của xe giảm từ 7-9 kg nếu sử dụng Titan. Hệ thống ống xả chủ yếu sử dụng Titan nguyên chất. Ban đầu có màu bạc, nhưng sẽ tạo ra sóng ánh màu xanh, tím, vàng sau khi xử lý nhiệt. Việc xử lý nhiệt nhằm tăng độ dày cho Titan và tạo cảm giác thẩm mỹ hơn.

Ở các chi tiết khác như van động cơ làm bằng hợp kim Titan, không chỉ làm giảm trọng lượng và kéo dài tuổi thọ mà còn giảm thiêu hao nhiên liệu của xe. So với van thép, trọng lượng có thể giảm từ 30 – 40 % mà độ cứng tương đương nhau, đồng thời tốc độ giới hạn có thể tăng lên 20 %.

Đối với lò xo giảm xóc trên ô tô, thông thường chỉ sử dụng chất liệu thép, nhưng đối với một số mẫu xe sử dụng lò xo Titan, chất lượng lò xo được cải thiện bởi trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn khi dính bùn, đất, nước mưa, nước biển giúp kéo dài tuổi thọ.

Bộ tăng áp cũng được sử dụng titan bởi các rô-to tua-bin tăng áp cần hoạt động lâu dài trong điều kiện nhiệt độ lên tới 850 độ C, vì vậy Titan sẽ là giải pháp bởi các kim loại truyền thống như nhôm, không thể sử dụng bởi nhiệt độ nóng chảy thấp. Sau nhiều lần thử nghiệm, bộ tăng áp bằng titan đầu tiên được thương mại hóa trên chiếc Mitsubishi Lancer Evolution.

Những chi tiết làm từ hợp kim Titan trên động cơ ôtô. Ảnh: EvolutionM

Trong vài năm gần đây, phong trào nâng cấp các chi tiết bằng titan trên xe hơi ngày càng phổ biến. Ở Thái Lan hoặc Nhật Bản, phong trào phổ biến ở mọi loại xe, từ xe thấp cấp đến cao cấp, thậm chí thay thế 70-80% linh kiện trong động cơ. Mục đích chính là tăng hiệu suất và thẩm mỹ của mỗi chiếc xe. Còn ở Việt Nam, các chủ xe chủ yếu nâng cấp hệ thống ống xả hoặc các ốc vít bằng titan trên các mẫu xe thể thao.

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của titan là giá với mức 29 USD/1 kg, trong khi giá thép chỉ 0,208 USD/1 kg. Do đó hầu hết titan chỉ tìm thấy ở các mẫu xe cao cấp. Ở xe bình dân, hãng thường dùng thép để giảm chi phí.

Ngoài ra, việc gia công titan cũng tốn nhiều công đoạn hơn, chi phí gia công chiếm hơn 60% tổng chi phí trong quá trình sản xuất, đồng thời rất khó có thể sử dụng chung với các vật liệu khác. Ví dụ khi xảy ra tai nạn nhỏ, không thể dùng lực kéo vết lõm ra nếu phần lõm làm từ titan. Do đó, xe phải thay thể cả chi tiết chứ không chỉ riêng phần hỏng.

Đối với tai nạn nghiêm trọng, một vụ va chạm tốc độ cao giữa hai xe có khung, vỏ bằng titan sẽ có nhiều khả năng gây thương tích hoặc tử vong cao hơn hai chiếc ôtô bằng thép, bởi vì khi va chạm, xe cần hấp thụ lực trước khi phản lực. Titan rất cứng, không có tính đàn hồi, không dễ thay đổi hình dạng như vật liệu khác, khiến toàn bộ năng lượng dồn vào người ngồi bên trong. Điều này có thể khắc phục nếu kết hợp với sợi carbon, nhưng mức giá phải trả là quá đắt.

Ngày nay, việc phát triển hợp kim titan với giá rẻ bắt đầu diễn ra sôi nổi hơn, một trong số đó là sự phát triển của hợp kim dòng Super-TIX, tạo từ chuỗi hợp kim TI-Al-Fe và Ti-Fe-ON. Do đó việc nghiên cứu và phát triển hợp kim titan giá rẻ để đáp ứng nhu cầu của thị trường là chìa khóa để thúc đẩy ứng dụng của vật liệu này trong xe hơi.