チタン合金の鋳造品にはどのような種類があり、その特性や欠陥にはどのようなものがあるのでしょうか？

鋳造チタン合金は、焼鈍後の微細組織に基づき、α型、α+β型、β型に分類されます。低密度、高比強度、耐食性に優れる一方、鋳造性は溶湯流動性、凝固収縮、反応性に左右されます。本ガイドでは、各材料群、記載グレードの組成と機械的特性、一般的な鋳造欠陥を比較します。

鋳造チタン合金の特性

チタンは、低密度、高強度、優れた靭性、非磁性、高い融点、低い熱膨張係数、そして耐食性および耐生物侵食性に優れているという特性を兼ね備えています。鋳造チタン合金には、一般的に以下の10の特徴があります。.

1. 低密度、高強度、高比強度

チタンの密度は4.51 g/cm³です。³, 、鋼の約57%に相当します。アルミニウムの2倍弱の重量ですが、強度は約3倍になります。 ここで示した比較によると、チタン合金の比強度は、ステンレス鋼の約3.5倍、アルミニウム合金の約1.3倍、マグネシウム合金の約1.7倍である。このため、チタン合金は航空宇宙分野において重要な構造材料となっている。.

2. 優れた耐食性

チタンの不動態化は、その酸化皮膜に依存しています。チタンの耐食性は、急速な腐食が生じうる還元性媒体に比べ、酸化性媒体においてははるかに優れています。チタンは、海水、湿潤塩素、亜塩素酸および次亜塩素酸溶液、硝酸、クロム酸、金属塩化物、硫化物、有機酸などの媒体における腐食に耐えます。.

3. 優れた耐熱性

アルミニウムは一般的に150°C前後で本来の性能を失い、ステンレス鋼は310°C前後で性能が低下しますが、チタン合金は500°C付近でも実用的な機械的特性を維持することができます。 マッハ2.7程度では、航空機の表面温度が230°Cに達することがあり、この温度ではアルミニウムやマグネシウム合金は使用に適さなくなる。チタン合金は、航空機エンジンのコンプレッサーディスクやブレード、および後部胴体の外板に使用されている。.

4. 優れた低温性能

Ti-5Al-2.5Sn ELI などの一部のチタン合金では、温度が低下するにつれて強度は増加する一方で、延性はわずかに低下するに留まります。これらの合金の低温における延性と靭性により、液体水素および液体酸素ロケットエンジン、ならびに有人宇宙船用の極低温容器やタンクへの使用が可能となっています。.

5. 非磁性挙動

チタンは非磁性です。潜水艦の船体に使用しても、磁気機雷を起動させることはありません。.

6. 熱伝導率が低い

チタンの熱伝導率は、鋼の約5分の1、アルミニウムの約13分の1、銅の約25分の1です。熱伝導率が低いことは、用途によっては欠点となります。.

7. 弾性係数が低い

チタンの弾性率は、鋼の約55%である。構造用途においては、この比較的低い弾性率が欠点となる場合がある。.

8. 引張強度と降伏強度は近い

引用されたTi-6Al-4Vの例では、引張強度は960 MPa、降伏強度は892 MPaであり、その差はわずか68 MPaである。.

9. チタンは高温では容易に酸化する

チタンは水素や酸素との親和性が高いため、酸化や水素吸収を適切に制御する必要があります。溶接の際はアルゴンによるシールドが必要です。チタン管やチタン板は真空下で熱処理されますが、チタン鍛造品については、弱酸化性の炉内雰囲気を慎重に制御する必要があります。.

10. 低い減衰能

同じ形状・大きさの鐘をチタン、銅、鋼で作り、同じ力で叩いた場合、チタンの鐘の方が長く鳴り続けます。衝撃エネルギーがゆっくりと消散することから、減衰能力が低いことがわかります。.

鋳造チタン合金の分類

以下に示す12種類の鋳造チタン材は、焼鈍後の微細組織によって分類されています。ZTという記号は、中国の規格体系における鋳造チタン材を表すものです。引用されている中国の国家規格はGB/T 6614-2014、, チタンおよびチタン合金の鋳造品, 、および GB/T 15073-2014、, チタンおよびチタン合金の鋳造品.

鋳造チタンおよびチタン合金の化学組成

以下の成分表はGB/T 6614-2014に基づくものであり、その許容範囲は、ここに示された鋳造グレードおよび条件に適用される。.

注記： その他の元素とは、チタン鋳造工程において本質的に含まれる微量元素を指し、一般的にはAl、V、Sn、Mo、Cr、Mn、Zr、Ni、Cu、Si、Nb、Yなどが含まれますが、当該グレードに意図的に添加された合金元素は除きます。その他の元素に関する個々の含有量上限および総含有量上限については、購入者から要求があった場合にのみ分析を行います。.

鋳造チタンおよびチタン合金の機械的特性

以下の組成および機械的特性表は、GB/T 15073-2014に基づくものであり、その数値はすべてのチタン鋳造製品に適用される普遍的な限界値として提示されているものではありません。.

1. αチタン合金。. 焼鈍後の組織は完全にα相である。これらは高温において優れた構造安定性を示し、耐熱チタン合金の基礎となっているが、室温での強度は高くない。商業用純チタンもα相材料である。.
2. α+βチタン合金。. 焼鈍組織にはα相とβ相が含まれている。これらの合金は熱処理によって強化が可能であり、400～450°Cの温度範囲で比較的高い強度と良好な耐熱性を示す。これより高い温度では、α系合金に比べて組織の安定性や溶接性が劣る。.
3. βチタン合金。. 焼鈍後の組織はβ相である。焼入れ・焼戻しを行うことで、高い機械的特性を得ることができる。.

α系チタン鋳造合金

工業用純チタン鋳物

商業用純チタン鋳物には、ZTA1（中国製CPチタン鋳物グレード）、ZTA2（中国製CPチタン鋳物グレード）、およびZTA3（中国製CPチタン鋳物グレード）がある。このうち最初のグレードは不純物含有量が最も少なく、そのため延性は高いが、強度は低い。 3番目のグレードは不純物含有量が多く、そのため強度は高いが、延性は低い。鋳造直後の組織は、粗大なヴィドマンシュテッテン粒からなるα相のみで構成されているが、焼鈍を行うと等軸組織となる。.

鋳造特性は純金属のそれに似ています。流動性は良好で、分散収縮は限定的ですが、集中収縮による空洞が生じる可能性があり、熱間割れの発生はまずありません。CPチタン鋳物は、適度な強度、良好な延性、優れた鋳造性、耐食性、および溶接性を備えています。300°Cの環境下で長期間にわたって使用可能です。.

Ti-5Al-2.5Sn 鋳造チタン合金

Ti-5Al-2.5Sn鋳造チタン合金は、α安定化元素として5%のアルミニウム、中性元素として2.5%のスズを含む、中強度の単相α合金である。この合金は、高温強度と溶接性が良好である。 熱処理による強化は不可能であり、通常は焼なまし状態で使用される。加工延性は比較的低いため、板の成形には加熱が必要である。.

用途には、ケーシングのシェルやパネルなどが挙げられます。この合金の報告されている使用温度は、長期使用で最大500°C、短時間であれば最大800°Cです。.

Ti-0.2Pd 鋳造チタン

Ti-0.2Pd鋳造チタンは、商業用純チタンに少量のパラジウムを添加して製造される耐食性α系材料です。パラジウムは、還元性媒体だけでなく酸化性媒体においても耐食性を向上させます。高温の濃塩化物媒体においては、この鋳造材料は特に優れた隙間腐食耐性を有するとされています。.

Ti-0.2Pd鋳造チタンは、CPチタン鋳物と同様の用途がありますが、パラジウムが添加されているためコストが高くなります。そのため、商業用純チタンでは使用要件を満たせない場合に選択されます。 用途としては、希塩酸、希硫酸、希リン酸の環境、隙間腐食に耐性のあるチタン製機器、シェル・アンド・チューブ式熱交換器、繊維用スピナレット、アセトアルデヒドプラントのフランジライナー、およびフランジ、継手、その他の隙間を有する部品などが挙げられる。.

Ti-0.3Mo-0.8Ni 鋳造チタン合金

Ti-0.3Mo-0.8Ni鋳造チタン合金は、純チタンの隙間腐食耐性を向上させるために開発されたニアα耐食合金です。 0.3%のモリブデン（Mo）および0.8%のニッケル（Ni）が合金を強化し、高温の低pH塩化物媒体や弱還元性酸に対する耐食性を向上させます。報告されている耐食性は純チタンを大幅に上回り、Ti-0.2Pd鋳造チタン合金に匹敵します。 また、加工延性と溶接性も良好であり、化学工業で広く使用されている。.

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 鋳造チタン合金

この高アルミニウム・ニアα合金の記載された組成は、6.58%のAlおよび1.46%のMoである。この合金は、α合金の耐高温強度と溶接性を兼ね備え、かつα+β合金に迫る加工延性を有している。 報告されている長期使用温度は500°Cで3,000時間であり、800°Cまでの瞬間的な曝露は5分以内とされている。450°Cでは、報告されている寿命は6,000時間に達する。.

用途としては、500°C未満で動作する構造用および溶接された耐荷重部品、エンジンブレードおよびケーシング、航空機の板金部品、梁、接合部、大型パネル、溶接された耐荷重フレーム、その他の溶接構造物、および鋳物などが挙げられます。.

Ti-4Al-2V 鋳造チタン合金

Ti-4Al-2V鋳造チタン合金は、常温および高温における優れた機械的特性、耐疲労性、亀裂進展抵抗性、耐衝撃性、ならびに各種媒体における耐食性を備えています。溶接が可能であり、熱間および冷間成形が可能です。.

用途としては、ミサイルの圧力容器やロケットエンジンのケーシング、航空機のコンプレッサーディスク、ブレード、スペーサー、シールド、スキン、リブ、ウェブ、翼、ビーム、水平尾翼、ローターハブ、着陸装置、支持ビーム、ホイールハブ、 船舶用水上翼、推進装置、および兵器；ならびに蒸気タービンブレード、軸流・放射流圧縮機ディスク、耐食性ばね、および内燃機関用コネクティングロッドなどが挙げられる。.

α+β系鋳造チタン合金

Ti-6Al-4V 鋳造チタン合金

Ti-6Al-4V鋳造チタン合金は、最も初期に開発され、最も広く使用されているチタン合金の一つとされています。アルミニウムは固溶作用によってα相を強化し、常温および高温での強度を向上させます。バナジウムは強度を高め、延性を向上させます。また、α相の形成を抑制します。₂ 秩序ある結晶構造を形成し、長期的な脆化リスクを低減する。.

この合金は、幅広い機械的特性と優れた加工性、および超塑性成形性を兼ね備えています。さまざまな圧延加工法による成形が可能であり、複数の溶接プロセスによる溶接も可能です。一般的な半製品には、棒材、鍛造品、薄板・厚板、形鋼、線材などがあります。主に焼鈍状態で使用されますが、溶体化処理や時効処理を施すこともできます。.

航空宇宙分野での用途としては、航空機のビーム、フレーム、レール、着陸装置のビーム、ファンおよびコンプレッサーのディスクやブレード、ロケットのシェル、圧力容器、ファスナーなどが挙げられます。30CrMnSiA構造用鋼に代えて使用することで、部品の重量を約30%削減できます。 民間分野での用途には、ガスタービンブレード、船舶用プロペラ、海洋掘削プラットフォーム、耐食性ポンプ、医療用インプラント、スポーツ用品などがあります。また、非鋳造のTi-6Al-4Vは、自動車のフレーム、クランクシャフト、コネクティングロッド、ボルト、吸気バルブ、サスペンションスプリングにも使用されています。.

Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo 鋳造チタン合金

この合金は、高強度、高靭性、損傷許容性、および溶接性を兼ね備えており、500°C未満の環境下で長期間にわたって使用することができます。 記載されている用途には、航空宇宙および土木用途の構造部品が含まれる。また、棒材、鍛造品、厚板も主要な半製品形態として挙げられている。これらの加工製品は、本節で論じている鋳造材とは区別される。.

β系鋳造チタン合金

Ti-32Moベータ鋳造チタン合金は、非常に高い耐食性を備え、さまざまな溶接方法による溶接が可能ですが、強化のための熱処理が可能であるとは記載されていません。モリブデン含有量が高いため、溶解が困難となり、密度が5.69 g/cm³まで上昇します。³, 、弾性係数を低下させ、500°C以上の空気中で加熱すると激しい酸化を引き起こす。そのため、主に強酸にさらされる鋳造ポンプ、バルブ、および類似の部品に使用される。.

鋳造時の挙動と一般的な欠陥

合金元素は一般的に凝固温度範囲を広げ、流動性を低下させます。しかし、アルミニウム含有量を増やすと結晶化熱が上昇し、流動性が向上する可能性があります。10% Alを質量比で添加すると、結晶化熱は327 J/gから435 J/gに上昇します。 Ti-32Moベータ鋳造チタン合金は、31%-35% Moを含有しており、凝固温度範囲が広く流動性が低いため、薄肉鋳造には不向きである。.

商業用純チタンにおいて、集中収縮空隙は体積比で約1%を占める。合金元素の含有量が質量比で10%の場合、集中収縮の体積分率は約0.5%～1.5%となる。 凝固範囲が広い合金では、凝固中に形成された収縮空洞が、残留液から流入したガスによって充填され、ガス収縮空洞が生じることがある。チタン合金鋳物には、この欠陥が生じやすい傾向が強い。また、凝固範囲が広がるにつれて、分散型収縮空隙も増加する。.

商業用純チタンの線収縮率は1.0%～1.1%である。チタン合金の収縮率は、アルミニウム含有量が増加するにつれて大きくなる。弾性係数と熱膨張係数が低く、かつ高温での強度が比較的高いことから、チタン合金は高温割れに対して優れた耐性を示す。 表面の冷間割れは、鋳込み時の溶融チタンと鋳型との反応、あるいは鋳造表面や隙間における気体不純物との反応に起因しており、これらによって脆い酸素富化α層が形成される。この脆い表面層は、容易に冷間割れを生じさせる。.