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知っておきたい! 優れモノ「チタン合金」の種類や特性、用途

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本記事は、Titanium Alloy: Types | Properties | Applications
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約6分34秒

チタンは、驚異的な特性を持つ「スーパーヒーロー」元素です。これは、地球の地殻の中で9番目に豊富な金属です。実際、ほとんどすべての火成岩に少量のチタンが含まれています。

 

商業的見地から、純粋なチタンそのものの等級は優れた引張強度と許容できる機械的特性を持っていますが、ほとんどの用途では、チタンはバナジウムやアルミニウムのような他の化学元素と合金化されています。

 

チタン合金は、極端な温度でも高い靭性と究極の引張強度を発揮します。軽量で、海水に対する耐食性に優れています。

 

この記事では、さまざまな種類のチタン合金(例を挙げて)、その特性、重要性、そして実際の用途について説明しています。

チタン合金の主な4つのカテゴリー

純粋なチタン原子は、固体状態では、α相として知られる六方最密充填構造(正六角柱の結晶構造)、またはβ相として知られる体心立方格子構造(立方体)のいずれかで整列しています。

 

スズなどの合金元素はチタンに溶解しても変態温度を変化させません。しかし、酸素やアルミニウムなどの元素は変態温度を上昇させます。これらの元素はα相安定化元素と呼ばれています。

 

また、相変態温度を低下させる元素(通常は遷移金属)は、β相安定化元素として知られています。したがって、市販のチタン合金は、α型合金、β型合金、およびα-β型合金に分類することができます。α-β型合金には、その成分に基づいて「nearα型」合金、「nearβ」合金が含まれることもあります。

1.αチタン合金

高バイパス航空エンジン用チタン製ファンブレード|画像クレジット: Marina Pousheva / Shutterstock

 

例:Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-5Al-2Sn-ELI

 

αチタン合金は、市販の純チタンとα相安定化元素を特定の比率で混合して作られています。これらの合金は、酸素やアルミニウムなどのα相安定化元素をかなりの量(5重量%以上)含んでいます。これらの合金の中には、スズのような中性合金元素からなるものもあります。

 

延性が適度に良く、靭性に優れ、低~中強度で、非熱処理性に優れています。また、高い耐酸化性と高温クリープ強度を有しています。

 

例えば、Ti-5Al-2.5Sn-ELIは、母材であるチタンと5%のアルミニウムと2.5%のスズを含む鍛造チタン合金です。

 

別のαチタン合金であるTi-8Al-1Mo-1Vは、7〜8%のアルミニウムと1%のモリブデンを含んでいます。これは主にファンやコンプレッサーのブレード、シール、ディスク、リングに使用されます。

2. nearαチタン合金

例:Ti 1100、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、IMI 685

 

nearαチタン合金は、通常、アルミニウム、スズ、ジルコニウムを含みます。また、モリブデン、バナジウム、シリコンなどのβ相安定化元素を1〜2%使用しています。

 

こういった合金のほとんどは、航空機エンジンのさまざまな高温用途で製造および使用されています。例えば、1958年のIMI679はRR Spey(ロールスロイス スペイ)エンジンのディスクやブレードに使用されました。1964年には、Hawk機用RR Adourエンジンに、耐クリープ性、溶接性、高破壊靭性を兼ね備えたIMI 685が使用されました。

 

それ以前にはIMI 829があり、より優れた耐クリープ性を提供し、540℃までの温度で動作することができました。IMI 829はボーイング757のコンプレッサーの設計に使用されました。

 

強化されたnearαチタン合金は、過去数十年の間に、600°C以上の温度で適切に動作できるTi 1100やTA15のように開発されてきました。これらの合金の開発は、航空機における高いエネルギー効率の高い重量対推力比のための熱力学的特性を保護しながら、耐酸化性と耐疲労性に焦点を当てた多くの研究で注目され続けています。

3. α-βチタン合金

Ti-6Al-4V合金棒

 

例:Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V-ELI、Ti-6Al-4V

その名のとおり、このチタン合金はαとβの両方の相安定化元素の組み合わせを含んでいます。強度レベルは中~高で、熱処理が可能です。溶接性と耐クリープ性は、主にβ相の存在に起因して、αおよびnearα合金よりも低くなっています。

 

Ti-6Al-4Vは全てのチタン合金の中で最も人気があり、チタン市場全体の50%以上を占めています。その優れた耐食性と高い強度対重量比のため、航空宇宙産業や生体力学的用途(人工関節やインプラント)を含む幅広い用途で使用されています。

 

Ti-6Al-7Nbと名付けられた別の人気のある合金は、人工心臓、人工膝関節、人工心臓弁、ペースメーカー、骨折固定用スクリュー、ペース、人工股関節、破損した硬組織のためのインプラント装置に使用されています。

4. βおよびnearβチタン合金

ボーイング機は着陸装置を含むいくつかの部品にβチタンを使用している|Getty Images

 

例:Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-15-3、Ti-13Zr-13Nb

 

βおよびnearβ合金は、従来のチタン合金と比較して、機械的特性、加工、および安価な製造部品の点でいくつかの利点を提供しています。

 

これらは、ベースとなるチタンにβ相安定化元素を添加することによって生成され、金属がトランザス温度から急速に冷却されたときにβ相を保持します。多くの元素をβ相安定化元素として使用することができますが、バナジウム、ニオブ、クロム、鉄、モリブデンのみがかなりの量で(通常10~20重量%)使用されています。

 

通常、これらの合金の強度と耐疲労性は、αチタン合金よりも優れています。また、熱処理および溶接も可能です。しかしながら、高温での耐クリープ性が低いため、用途は限られています。

 

ほとんどのβおよびnearβチタン合金の降伏強度は1150~1300MPaの範囲です。対照的に、α合金の強度は750~1000MPaの範囲です。この高い強度は、析出硬化と同様に、より大きな固溶硬化に由来します。

 

Ti-13 V-11Cr-3Alは、商業的に使用された最初のβチタン合金でした。マッハ2.5で飛行するように設計されたSR-71ブラックバード軍用機の機体に使用されました。

 

Ti-10V-2Fe-3Alは、強度、破壊靭性、延性の優れた組み合わせを特徴とするnearβチタン合金です。機体や着陸装置の部品を構築するために使用されています。

 

チタン合金の等級

ASTMインターナショナル(旧称:米国試験材料協会)の国際規格によると、商業的に純粋なチタンには4つの等級(等級1、2、3、4)があります。その引張強度と降伏強度は、等級番号とともに増加します。

チタン合金には30以上の等級があります。それぞれが異なる特性と用途を持っています。最も一般的なものは以下の通りです。

 

等級5:430℃までの温度と海水を含む様々な環境要因に耐えることができる最も一般的に使用されている合金です。基本要素のチタン、6%のアルミニウム、4%のバナジウム、0.25%の鉄、および0.2%の酸素が含まれています。よくTi-6Al-4VまたはTi 6-4と呼ばれます。

 

等級6:合金は純粋なチタンと比較される中間の強さ、優秀な溶接の製作性、微細構造の安定性、酸化抵抗および改善された高温強度(480 ℃)を特色としています。化学処理装置、ガスタービンのケーシングおよびリングで広く利用されています。

 

等級12:0.8%のニッケル、0.3%のモリブデン、微量の炭素と酸素を含んでいます。純チタン等級と同じ優れた特性と耐食性の向上を実現します。この合金は主に化学処理、熱交換器、ポンプ、バルブに使用されます。

等級12チタンパイプ

 

等級23:等級5に似ていますが、延性と破壊靭性に優れています。6%のアルミニウム、4%のバナジウム、0.25%の鉄、0.13%の酸素、および微量の炭素、窒素、水素で構成されています。Ti6Al 4V ELI合金とも呼ばれ、ELIは超低格子間原子を表しています。この合金は、主に医療用インプラントに使用されています。

 

等級38:4%のアルミニウム、3%のバナジウム、1.5%の鉄、0.2%の酸素、および微量の炭素、窒素、水素でできています。1990年代に開発されたこの合金は、Ti-4Al-2.5Vとしても知られています。その機械的特性は等級5のチタンに非常に似ており、320℃までの高温運用で使用することができます。

 

その他の運用

チタン合金は、主に航空機、宇宙船、海軍艦艇、装甲板、ミサイルなどに使用されていますが、それ以外にも様々な分野で使用されています。

 

例えば、クロム酸ナトリウムや次亜塩素酸ナトリウムを運ぶタンクローリーには、チタン合金が使われています。また、剛性と高強度を維持しながら軽量化が重要なオートバイや自動車レースでも使用されています。

 

この合金は、自転車のフレーム、フットボールのヘルメットのフェイスマスク、ラクロス用のシャフト、ゴルフクラブ、ホッケー、テニスラケットなど、いくつかのスポーツ用品に使用されています。

 

チタン合金は、軽量で柔軟なメガネフレームや高級腕時計を製造するためにも使用されています。その魅力的な質感から、ネックレス、イヤリング、カフスボタン、ネクタイピンなどのジュエリーに広く使用されています。

 

また、チタンは生体適合性(無毒で人体に拒絶反応を起こさない)の高い元素です。外科用器具やインプラントなど、様々な医療用途で使用されています。例えば、次のようなものがあります。

 

– 股関節のボールやソケット(関節置換用)は、最大20年間所定の場所に留まることができます。
– 歯科用インプラントは、30年以上所定の場所に留まることができます。

チタン製歯科インプラント

 

チタンの外科用器具は軽量で(ステンレス鋼より 40% 軽量)、非鉄、非磁性、耐腐食性があります。酸化性の酸、塩水、塩化物、有機化学薬品、工業薬品などがあっても腐食しません。また、チタン製の器具は非磁性体であるため、MRI装置内で安全に使用することができます。

 

チタン合金は、この他にも、湿式製錬オートクレーブ、ポリエステル製造用の高純度テレフタル酸プラント、公害防止のための排煙脱硫など、数十種類の工業用途に使用されています。各等級は、特定の使用条件に合わせて(組成、強度、延性の点で)調整されています。

 

市場

チタン合金市場は、2019年から2026年の間に3.5%のCAGR(複合年間成長率)を記録し、2026年には70億ドルに達すると予想されています。αチタン合金およびnearαチタン合金は、世界の収益の50%以上を占める可能性があります。

 

この市場を加速させる主な要因は、チタンの優れた物理的・機械的特性と、特に航空宇宙や自動車産業での幅広いエンドユーザー用途での広範な使用です。

 

革新的な製品開発は、予測期間中に市場の機会となります。しかし、チタン合金の高コストは市場の抑制要因になるかもしれません。

 

アジア太平洋地域はチタン合金市場の最大のシェア(35%以上)を占めると予想されています。中国は、ハイエンドの航空機、化学、医療分野からの需要の増加に伴い、予測期間中に市場を支配し続けると予想されます。

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