チタン合金

チタン合金は、チタンと他の化学元素の混合物を含む合金です。このような合金は、非常に高い引張強度と靭性（極端な温度でも）を備えています。軽量で、並外れた耐腐食性と極端な温度に耐える能力を備えています。ただし、処理コストが高いため、その使用は軍事用途、航空機、宇宙船、自転車、医療機器、宝石、高価なスポーツカーのコネクティングロッドなどの高応力部品、一部の高級スポーツ機器、および家電製品に限定されています。

「商業的に純粋な」チタンは許容できる機械的特性を持ち、整形外科用インプラントや歯科用インプラントに使用されていますが、ほとんどの用途では、チタンは少量のアルミニウムとバナジウム（通常はそれぞれ重量で 6% と 4%）と合金化されています。この混合物は固体溶解度が温度によって劇的に変化するため、析出強化を受けることができます。この熱処理プロセスは、合金が最終形状に加工された後、使用される前に実行されるため、高強度製品の製造がはるかに簡単になります。

チタン合金は一般的に4つの主なカテゴリー^{[1] [2] [3] [4]}に分類され、その他多くの包括的なカテゴリーが5番目に存在します。

• 中性合金元素（スズなど）および/またはアルファ安定剤（アルミニウムや酸素など）のみを含むアルファ合金。これらは熱処理できません。例としては、^[5] Ti-5Al-2Sn-ELI、Ti-8Al-1Mo-1Vなどがあります。
• ニアアルファ合金には少量の延性ベータ相が含まれています。アルファ相安定剤の他に、ニアアルファ合金にはモリブデン、シリコン、バナジウムなどのベータ相安定剤が1～2%含まれています。例としては、^[5] Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo、IMI 685、Ti 1100などがあります。
• アルファおよびベータ合金は準安定であり、一般的にアルファおよびベータ安定剤の両方の組み合わせを含み、熱処理が可能です。例としては、次のものがあります。^[5] Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V-ELI、Ti-6Al-6V-2Sn、Ti-6Al-7Nb、およびTi62A ^[6]
• ベータ合金および近ベータ合金は準安定であり、十分なベータ安定剤（モリブデン、シリコン、バナジウムなど）を含むため、焼入れ時にベータ相を維持でき、また、溶体化処理および時効処理によって強度を向上させることもできます。例としては、^[5] Ti-10V-2Fe-3Al、Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr、^[7] Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Beta C、Ti-15-3などがあります。
• 西洋では商業化されていないが、マグネシウム、カリウム、カルシウム、リチウムを含む2元チタン合金が、最大140気圧のアーク溶解圧力容器で生産されている。 ^[8]

ベータチタン合金は、チタンのBCC 同素体形態（ベータと呼ばれる）を示します。 ^[9]この合金に使用されている元素は、チタン以外に、モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、マンガン、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、銅の1つ以上です。

ベータチタン合金は成形性に優れており、溶接も容易である。^[10]

ベータチタンは現在、歯列矯正分野で広く利用されており、1980年代に歯列矯正用に採用されました。^[10] 1960年代以降、歯列矯正ではステンレス鋼が主流であったため、このタイプの合金は特定の用途でステンレス鋼に取って代わりました。ベータチタンの強度/弾性係数比は18-8オーステナイト系ステンレス鋼のほぼ2倍で、バネの弾性たわみが大きく、単位変位あたりの力はステンレス鋼器具の2.2倍に低減されています。

一部のベータチタン合金は極低温^[11]または電離放射線の影響下で硬くて脆い六方晶オメガチタンに変化する可能性がある。 ^[12]

常温常圧でのチタンの結晶構造は、c/a 比が 1.587 の最密六方 α 相です。約 890 °C で、チタンは体心立方 β 相への同素変態を起こし、融点まで安定した状態を保ちます。

アルファ安定剤と呼ばれる合金元素の中には、アルファからベータへの遷移温度を上げるものもあれば、^[i]、ベータ安定剤と呼ばれるものもあり、遷移温度を下げるものもあります。アルミニウム、ガリウム、ゲルマニウム、炭素、酸素、窒素はアルファ安定剤です。モリブデン、バナジウム、タンタル、ニオブ、マンガン、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、銅、シリコンはベータ安定剤です。^[13]

一般的に、ベータ相チタンはより延性の高い相であり、アルファ相は強度は高いものの延性は低く、これはベータ相のbcc構造にはhcpアルファ相に比べて滑り面の数が多いためです。アルファ-ベータ相チタンは、両者の中間の機械的特性を持っています。

二酸化チタンは高温で金属に溶解し、その生成には非常にエネルギーが必要です。この 2 つの要因により、最も慎重に精製されたものを除くすべてのチタンには相当量の溶存酸素があり、Ti-O 合金と見なすことができます。酸化物沈殿物はある程度の強度をもたらしますが (前述のとおり)、熱処理にはあまり反応せず、合金の靭性を大幅に低下させる可能性があります。

多くの合金には微量添加物としてチタンも含まれていますが、合金は通常、材料の大部分を構成する元素に応じて分類されるため、これらは通常「チタン合金」とは見なされません。チタンの用途に関するサブ記事を参照してください。

チタンは単体でも強くて軽い金属です。一般的な低炭素鋼よりも強度がありますが、45%軽量です。また、強度の弱いアルミニウム合金の2倍の強度がありますが、60%重いだけです。チタンは海水に対する耐腐食性に優れているため、プロペラシャフト、索具、海水にさらされる船のその他の部品に使用されています。チタンとその合金は、強度、軽量、耐高温性が重要な飛行機、ミサイル、ロケットに使用されています。^{[14] [15] [16]}

チタンは人体の中で反応しないため、チタンとその合金は人工関節、ネジ、骨折用プレート、その他の生体インプラントに使用されます。参照:チタン整形外科インプラント。

チタンおよびチタン合金シームレスパイプに関するASTM国際規格では、次の合金が参照されており、次の処理が必要です。

「合金は、以下の状態で供給されることがあります：グレード5、23、24、25、29、35、または36は焼きなましまたは時効処理済み、グレード9、18、28、または38は冷間加工および応力緩和または焼きなまし処理済み、グレード9、18、23、28、または29は変態ベータ状態、グレード19、20、または21は溶体化処理済みまたは溶体化処理済みおよび時効処理済み。」^[17]

「注1—Hグレードの材料は、保証された最低UTSが高いことを除いて、対応する数値グレード（つまり、グレード2H = グレード2）と同一であり、常に対応する数値グレードの要件を満たしていると認定される場合があります。グレード2H、7H、16H、および26Hは、主に圧力容器での使用を目的としています。」^[17]

「Hグレードは、5200件を超える商用グレード2、7、16、26のテストレポートの調査に基づくユーザー協会の要求に応えて追加されました。そのうち99%以上が58 ksiの最小UTSを満たしていました。」^[17]

グレード1

最も延性があり、最も柔らかいチタン合金です。冷間成形や腐食環境に適しています。ASTM/ASME SB-265は、商業的に純粋なチタンシートとプレートの規格を規定しています。^[18]

グレード2

非合金チタン、標準酸素。

2H 学年

非合金チタン (グレード 2、最小 UTS 58 ksi)。

グレード3

非合金チタン、中酸素。

グレード 1 ～ 4 は合金化されておらず、商業的に純粋または「CP」と見なされます。一般に、これらの「純粋」グレードでは、引張強度と降伏強度はグレード番号とともに高くなります。物理的特性の違いは、主に格子間元素の量によるものです。これらは、コスト、製造の容易さ、溶接が重要な耐腐食性アプリケーションに使用されます。

グレード5はTi6Al4V、Ti-6Al-4V、またはTi 6-4とも呼ばれます。

Ti-6Al-4V-ELI（グレード23）と混同しないでください。最も一般的に使用されている合金です。化学組成は、アルミニウム6％、バナジウム4％、鉄0.25％（最大）、酸素0.2％（最大）、残りがチタンです。^[19]市販の純チタン（グレード1〜4）よりもはるかに強度が高く、剛性と熱特性は同じです（グレード5のチタンはCPチタンよりも熱伝導率が約60％低いため除く）。^[20]多くの利点がありますが、熱処理が可能です。このグレードは、強度、耐腐食性、溶接、加工性の優れた組み合わせです。

「このアルファベータ合金はチタン産業の主力合金です。この合金は、断面サイズが最大15 mmで完全に熱処理可能で、約400 °C (750 °F) まで使用できます。最も一般的に使用されている合金であるため、溶解されるすべての合金グレードの70%以上がTi6Al4Vのサブグレードであり、その用途は航空宇宙の機体やエンジン部品の多くの用途に及び、特に海洋、オフショア、発電産業の主要な非航空宇宙用途にも及びます。」^[21]

「用途：ブレード、ディスク、リング、機体、ファスナー、部品。容器、ケース、ハブ、鍛造品。生体医療用インプラント。」^[19]

一般的に、Ti-6Al-4Vは400℃までの用途で使用されます。密度は約4420 kg/m ³、ヤング率は120 GPa、引張強度は1000 MPaです。^[22]比較すると、焼きなましされたタイプ316ステンレス鋼の密​​度は8000 kg/m ³、弾性率は193 GPa、引張強度は570 MPaです。^[23]焼き入れされた6061アルミニウム合金の密度は2700 kg/m ³、弾性率は69 GPa、引張強度は310 MPaです。^[24]

Ti-6Al-4Vの標準仕様は以下の通りである。^{[25] [26]}

• 品番: 4911、4928、4965、4967、6930、6931、T-9046、T9047
• ASTM: B265、B348、F1472
• ミル: T9046 T9047
• 1592、1570、1583年
• ボーイング：BMS 7-269

6年生

5%のアルミニウムと2.5%のスズを含む。Ti-5Al-2.5Snとも呼ばれる。この合金は、優れた溶接性、安定性、高温での強度のため、機体やジェットエンジンに使用されている。^[27]

7年生

0.12～0.25%のパラジウムを含有します。このグレードはグレード2に似ています。少量のパラジウムを添加することで、低温および高pHでの耐隙間腐食性が向上します。^[28]

7年生H

グレード 7 (最小 UTS が 58 ksi のグレード 7) と同じです。

9年生

アルミニウム 3.0% とバナジウム 2.5% が含まれています。このグレードは、「純粋」グレードの溶接と製造の容易さと、グレード 5 の高強度の妥協点です。航空機の油圧用チューブや運動器具によく使用されます。

11年生

0.12～0.25%のパラジウムを含有。このグレードは耐食性が向上しています。^[29]

12年生

モリブデン0.3%とニッケル0.8%を含有し、優れた溶接性を有する。^[29]

13年生、14年生、15年生

すべてニッケル 0.5% とルテニウム0.05% が含まれています。

16年生

0.04～0.08%のパラジウムを含有。このグレードは耐食性が向上しています。^[30]

16H グレード

グレード 16 (最小 UTS が 58 ksi のグレード 16) と同一です。

17年生

0.04～0.08%のパラジウムを含有。このグレードは耐食性が向上しています。^[30]

18年生

アルミニウム3%、バナジウム2.5%、パラジウム0.04～0.08%を含む。このグレードは機械的特性の点でグレード9と同一である。パラジウムが添加されているため耐食性が向上している。^[30]

19年生

アルミニウム 3%、バナジウム 8%、クロム 6%、ジルコニウム 4%、モリブデン 4% が含まれています。

20年生

アルミニウム 3%、バナジウム 8%、クロム 6%、ジルコニウム 4%、モリブデン 4%、パラジウム 0.04% ～ 0.08% が含まれています。

21年生

モリブデン15%、アルミニウム3%、ニオブ2.7% 、シリコン0.25%が含まれています。

グレード23はTi-6Al-4V-ELIまたはTAV-ELIとも呼ばれます

アルミニウム6%、バナジウム4%、酸素0.13%（最大）を含む。ELIはExtra Low Interstitialの略。酸素と鉄の格子間元素の 減少により、強度は若干低下するが延性と破壊靭性が向上する。^[29] TAV-ELIは最も一般的に使用されている医療用インプラントグレードのチタン合金である。 [ ^{29] [31]}優れた生体適合性、耐腐食性、耐疲労性、および人骨に近い低弾性係数のため、 ^[32] TAV-ELIは最も一般的に使用されている医療用インプラントグレードのチタン合金である。^[33]

Ti-6Al-4V-ELIの標準仕様には以下が含まれる: ^[31]

• 品番: 4907、4930、6932、T9046、T9047
• ASTM: B265、B348、F13​​6
• ミル: T9046 T9047

24年生

アルミニウム6%、バナジウム4%、パラジウム0.04%～0.08%が含まれています。

25年生

アルミニウム6%、バナジウム4%、ニッケル0.3%～0.8%、パラジウム0.04%～0.08%が含まれています。

グレード26、26H 、27​

すべて0.08～0.14%のルテニウムが含まれています。

28年生

アルミニウム 3%、バナジウム 2.5%、ルテニウム 0.08 ～ 0.14% が含まれています。

29年生

アルミニウム6%、バナジウム4%、ルテニウム0.08～0.14%が含まれています。

30年生と31年生

コバルト0.3%とパラジウム0.05%が含まれています。

32年生

アルミニウム 5%、スズ 1%、ジルコニウム 1%、バナジウム 1%、モリブデン 0.8% が含まれています。

33年生と34年生

0.4%のニッケル、0.015%のパラジウム、0.025%のルテニウム、0.15%のクロムを含む。両グレードは酸素と窒素の含有量がわずかに異なる以外は同一である。^[30]これらのグレードはグレード7よりも6〜25倍少ないパラジウムを含むためコストが低くなりますが、追加されたルテニウムのおかげで同様の腐食性能を発揮します。^[34]

35年生

アルミニウム4.5%、モリブデン2%、バナジウム1.6%、鉄0.5%、シリコン0.3%が含まれています。

36年生

ニオブを45%含有。

37年生

アルミニウムが1.5%含まれています。

38年生

アルミニウム4%、バナジウム2.5%、鉄1.5%を含む。このグレードは1990年代に装甲板として使用するために開発された。鉄が含まれているため、ベータ安定剤として必要なバナジウムの量が削減される。機械的性質はグレード5と非常に似ているが、冷間加工性はグレード9に似ている。^[35]

チタン合金はさまざまな理由で熱処理されますが、主な理由は、溶体化処理と時効処理によって強度を高めることと、破壊靭性、疲労強度、高温クリープ強度などの特殊な特性を最適化することです。

アルファおよびニアアルファ合金は、熱処理によって劇的に変化させることはできません。このクラスのチタン合金に使用できるプロセスは、応力緩和と焼きなましです。ベータ合金の熱処理サイクルは、アルファおよびアルファベータ合金のものと大きく異なります。ベータ合金は、応力緩和や焼きなましだけでなく、溶体化処理や時効処理も可能です。アルファベータ合金は、室温でアルファ相とベータ相の両方を含む 2 相合金です。アルファベータ合金の相組成、サイズ、および相の分布は、熱処理によって一定の範囲内で操作できるため、特性を調整できます。

アルファおよび近アルファ合金

アルファ合金は大きな相変化を起こさないため、熱処理によってアルファ合金の微細構造を大きく操作することはできません。その結果、熱処理によってアルファ合金に高い強度を得ることはできません。しかし、アルファおよびニアアルファチタン合金は、応力緩和および焼きなましが可能です。

アルファベータ合金

アルファベータ合金をアルファベータ遷移温度以下またはそれ以上の温度で加工および熱処理すると、大きな微細構造変化が達成されます。これにより、材料が大幅に硬化する場合があります。アルファベータ合金の強度を最大限に高めるには、溶体化処理と時効処理を組み合わせて使用​​します。また、このグループのチタン合金には、応力緩和熱処理などの他の熱処理も実施されます。

ベータ合金

市販のベータ合金では、応力緩和処理と時効処理を組み合わせることができます。

チタンは耐腐食性と耐熱性、そして高い強度対重量比のため、航空業界で頻繁に使用されています。チタン合金は一般にアルミニウム合金よりも強度が高く、鋼鉄よりも軽量です。初期のアポロ計画やマーキュリー計画でも使用されました。^[36]

Ti-3Al-2.5V合金は、3%のアルミニウムと2.5%のバナジウムで構成されており、低温環境向けに設計されており、宇宙の極低温条件下でも高い靭性と延性を維持します。 ^{[37]航空機のフレームや}着陸装置などの航空宇宙部品に使用されています。^[38]

チタン合金は建築分野で時々使用されてきました。

チタン合金は、金属製整形外科用関節置換材や骨プレート手術用プレートの製造に広く使用されている。これらは通常、CNC、CAD駆動機械加工、粉末冶金生産によって鍛造または鋳造棒材から製造される。これらの技術にはそれぞれ固有の利点と欠点がある。鍛造製品は、製品の最終形状への機械加工中に大量の材料損失を伴い、鋳造サンプルの場合、最終形状の製品を得ることで、さらなる加工や処理（析出硬化など）がいくらか制限されるが、鋳造はより材料効率が高い。従来の粉末冶金法もより材料効率が高いが、十分に密度の高い製品を得ることが一般的な問題となり得る。^[39]

ソリッドフリーフォームファブリケーション（ 3Dプリンティング）の出現により、カスタムデザインのバイオメディカルインプラント（股関節など）を製造できる可能性が実現しました。テストでは、航空宇宙用途で使用されている同様の密度の次に強い合金よりも50％強度が高いことが示されています。^[40]現在、大規模には適用されていませんが、フリーフォームファブリケーション法は、（製造プロセスからの）廃棄粉末をリサイクルする機能を提供し、望ましい特性とインプラントの性能を選択的に調整します。電子ビーム溶融（EBM）と選択的レーザー溶融（SLM）は、Ti合金のフリーフォームファブリケーションに適用できる2つの方法です。製造パラメータは製品の微細構造に大きな影響を与えます。たとえば、SLMでの高速冷却と低溶融度の組み合わせにより、マルテンサイトアルファプライム相が優勢に形成され、非常に硬い製品が得られます。^[39]

Ti-6Al-4V / Ti-6Al-4V-ELI

この合金は生体適合性に優れ、細胞毒性や遺伝毒性もありません。^[41] Ti-6Al-4Vは、特定の荷重条件下ではせん断強度と表面摩耗特性が劣ります。^[19]

生体適合性：特に組織や骨との直接接触が必要な場合に優れています。Ti-6Al-4Vはせん断強度が低いため、骨ネジやプレートには適していません。また、表面摩耗特性も悪く、それ自体や他の金属との滑り接触時に固着する傾向があります。窒化や酸化などの表面処理により、表面摩耗特性を改善できます。^[19]

チタン-6Al-7Nb

この合金は、Ti-6Al-4Vにバナジウムが含まれているため、Ti-6Al-4Vの生体医学的代替品として開発されました。Ti-6Al-4Vには、単離すると細胞毒性を示す元素であるバナジウムが含まれています。^{[42] : 1} Ti-6Al-7Nbには、6%のアルミニウムと7%のニオブが含まれています。^{[42] : 18}

Ti6Al7Nbは、外科用インプラント用の優れた生体適合性を備えた専用の高強度チタン合金です。人工股関節に使用され、1986年初頭から臨床使用されています。^[43]

チタン合金は、その優れた特性から自動車産業で使用されています。主な用途としては、バルブやコネクティングロッドなどのエンジン部品、排気システム、サスペンションスプリング、ファスナーなどがあります。^{[44] [45]これらの合金は車両の軽量化に役立ち、}燃費と性能の向上につながります。^[46]さらに、チタンの耐久性と耐腐食性は、自動車部品の寿命を延ばします。しかし、チタンはコストが高く、製造が複雑なため、高性能車や高級車にしか使用されていません。^[47]

注記

出典

ウィキメディア・コモンズには、チタンベースの合金に関連するメディアがあります。

• カスタムミルスペック防衛製品
• ベータチタンのデータシート
• チタン合金バー
• ベータチタン合金の相安定性と応力誘起変態
• チタン合金とチタン合金の種類