チタン粉末

チタン粉末冶金 (P/M) は、鍛造ビレットから複雑な部品を機械加工する際に生じる材料の損失やコストを伴わずに、ネットシェイプまたはニアネットシェイプの部品を作成する可能性を提供します。粉末は、混合元素法または事前合金化によって生成され、その後、金属射出成形、熱間静水圧プレス、直接粉末圧延、またはレーザー工学ネットシェイプによって固められます。

チタン粉末は、その強度、軽量性、耐腐食性により、航空宇宙、医療用インプラント、3Dプリント、粉末冶金、表面コーティングなどに使用されています。 ^[1]また、エネルギー生成、スポーツ用具、化学プロセスの触媒としても重要な役割を果たしています。 ^[2]

チタン製造の伝統的な技術は、チタンスポンジを製造するために炭素存在下でTiO _{2鉱石を塩素化し、得られたTiCl 4 をマグネシウムと反応させる}クロール法によるものである。これらのプロセスは、1040 °Cもの高温で行われる。スポンジ粒子の大きさは45～180 μmで、約150 μmの粒子は「スポンジ微粒子」と呼ばれる。これらの微粒子は不規則な形状で多孔質であり、スポンジのような形態をしている。^[3]次に、微粒子を合金添加物と混合し、最大415 MPaで冷間圧縮してグリーンコンパクトにし、1260 °Cで真空焼結して99.5%の密度の部品を製造する。熱間等方圧プレス（HIP）により、これらの部品の密度をさらに高め、鋳造部品や鍛造部品よりも経済的に部品を製造できるが、材料に存在する多孔性により疲労特性と破壊特性が低下する。 BE アプローチは、トヨタ アルテッツァのバルブ、ゴルフ クラブのヘッド、ソフトボールのバットの製造に使用されています。^[4]最近では、水素化粉末と 60:40 Al:V マスター合金を使用して、密度が 100% に近い Ti グレード 5 部品が実現しました。機械特性は、鋳造および鍛造製品に匹敵します。0.320 g の自動車用接続リンクのコストは 3 ドル未満と見積もられています。

グレード 5 などのプレアロイ粉末を製造するための技術はいくつかあります。水素化物 - 脱水素化物プロセスでは、固形スクラップ、ビレット、機械加工された旋削加工品などの原料を処理して汚染物質を除去し、水素化して脆性材料を生成してから、振動ボールミルでアルゴン下で粉砕します。通常、グレード 5 の Ti の場合、圧力 1 psi で 400 °C で 4 時間粉砕します。結果として得られる粒子は角張っており、大きさは 50 ～ 300 μm です。粉末の脱水素後に冷間圧縮し、続いて真空ホットプレス (この場合、水素は真空下で除去されるため、脱水素化プロセスを省略できます) または HIP と最終的な真空アニールを行うと、水素が 125 ppm 未満の粉末が生成されます。汚染物質が存在する可能性があるため、これらの粉末は重要な航空機用途には適していません。

プラズマ回転電極法 (PREP) では、Ti Grade 5 などの原料は、ガスプラズマでアークを発生する回転棒の形をしています。溶融金属は遠心力で棒から吹き飛ばされ、冷却されて集められます。生成される粉末は球形で、サイズは 100 ～ 300 μm で、パッキングと流動性が良好です。この粉末は、航空機部品や人工股関節の多孔質コーティングなど、HIP で生成される高品質のニアネットシェイプに最適です。

チタンガスアトマイゼーション（TGA）プロセスでは、チタンは真空誘導溶解炉で水冷銅るつぼで溶解され、金属が取り出され、溶融金属流が高圧不活性ガス流でアトマイズされます。小さな液滴は球形で、大きさは50～350μmです。TGAプロセスは、商業的に純粋な（CP）チタン、従来のアルファベータ合金、ベータ合金など、さまざまな材料の製造に使用されています。^[5]

プラズマアトマイゼーション（PA）プロセスでは、チタンワイヤーを3つの不活性ガスプラズマジェットでアトマイズして球状の金属粉末を形成します。PAプロセスで得られる直径の分布は0～200μmの範囲で、得られる粉末は非常に純粋です。PAプロセスは、チタン（CP-Ti、Ti-6Al-4V）、ニオブ、モリブデン、タンタルなどの高温溶融材料の製造に特化しています。^[5]

最終製品の製造には、いくつかの金属固化技術が使用されています。金属射出成形 (MIM) は粉末射出成形とも呼ばれ、小型から中型の金属部品を大量に製造するための確立されたコスト効率の高い方法です。これはプラスチック射出成形法から派生したもので、金属粉末とポリマーバインダーを混合して原料を形成し、それを金型に注入した後、最終焼結の前に真空下で熱処理してバインダーを除去します。ただしチタンの場合、MIM で使用されるバインダーにより、焼結前のバインダー除去が不十分なため、または分解するバインダー、脱バインダー雰囲気、および金属相間の有害な反応により、マトリックスに炭素が導入されます。その結果、チタン部品の機械的特性は重要な航空宇宙用途には適していませんが、引張特性と衝撃特性がそれほど重要でない部品には適しています。最近、バインダーを 8% 未満の体積分率にまで減らす作業が行われ、熱処理中に成形部品からバインダーが完全に除去されるようになりました。

直接粉末圧延 (DPR) プロセスでは、BE 粉末を使用してシート、プレート、および複合多層シート、プレートが製造されます。厚さ 1.27 ～ 2.54 mm、密度 50 ～ 99%+ の単層 CP チタン、Ti グレード 5、TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb)、複合 Ti/グレード 5/Ti、およびグレード 5/TiAl/グレード 5 のシートが、DPR と焼結によって製造されています。

レーザー エンジニアード ネット シェーピング (LENS) は、CAD データから直接金属部品を迅速に製造、強化、修復するための積層造形技術です。このプロセスでは、金属基板に焦点を合わせた高出力の固体レーザーを使用して、直径約 1 mm の溶融プールを作成します。次に、金属粉末を溶融プールに注入して材料の体積を増やし、部品を層ごとに構築します。実験用ガス スラスタ (構築時間 8 時間) と自動車用ブラケットは、Ti-Grade 5 で製造されています。選択的レーザー焼結(SLS) は、レーザーが粉末床の表面をスキャンして粉末材料を選択的に融合することを除いて、同様です。各断面をスキャンした後、粉末床を 1 層の厚さだけ下げ、その上に新しい材料層を適用し、部品が完成するまでこのプロセスを繰り返します。

熱間等方圧成形では、高温と高圧を利用して粉末を理論上の最大密度に近くまで固めます。

電流アシスト焼結は、スパークプラズマ焼結（SPS）とも呼ばれ、抵抗加熱と圧力を高速に適用して粉末を理論上の最大密度近くまで固め、望ましくない粒成長効果を起こさず、元の粒径に近い状態を維持し、最終製品の機械的特性を向上させます。

加工原料またはスポンジを噴霧するという従来の方法と、従来のクロール法に伴う固有のコストを回避する作業が進行中です。FFC、MER Corporation、OS、Ginatta、BHP Billiton などのプロセスのいくつかは、TiO ₂ (安価で豊富な材料) の電解還元によって Ti 金属を形成します。これまでのところ、これらのプロセスで製造された材料は市場で販売されておらず、コスト モデルもまだ公開されていませんが、近い将来に安価なチタン粉末が製造される可能性があります。チタン スポンジを製造するこのような施設がある国は、サウジアラビア、中国、日本、ロシア、カザフスタン、米国、ウクライナ、インドです。インドのチタン スポンジ工場は、航空宇宙グレードのチタン スポンジの製造に関するさまざまな作業をすべて 1 つの屋根の下で行うことができる世界で唯一の工場です。^{[6] [7]}