チタン合金の種類、熱処理、および用途とは？

チタンおよびチタン合金は、強度、耐熱性、耐食性の点でアルミニウムおよびアルミニウム合金よりも優れています。これらは、航空、宇宙、化学処理、ミサイル、船舶などで広く使用されています。しかし、チタンは高温になると極めて反応性が高くなります。 そのため、溶解、鋳造、溶接、熱処理は、真空または不活性雰囲気下で行わなければならない。こうした厳しい加工条件と高コストが、より広範な利用を妨げている。.

商業用純チタン

チタンは、融点が1,680°C、密度が4.5 g/cm³の銀白色の金属です。³. アルミニウムよりは重いものの、鋼よりは軽い。その強度はアルミニウムの約6倍であり、高い比強度を持つ。また、チタンは延性が高く、耐熱性に優れ、熱膨張係数が小さいため、高温環境下での使用や熱間加工の際、熱応力が比較的低くなる。.

チタンは、硫酸、塩酸、硝酸、水酸化ナトリウムおよびその他のアルカリ溶液、湿潤環境、海水に対して優れた耐食性を示します。ただし、フッ化水素酸に対しては耐性がありません。チタンは、表面に緻密な酸化皮膜が形成されるため大気中で安定しており、金属光沢を保ちます。 しかし、600°Cを超えると、この皮膜は保護効果を失う。.

チタンには2つの同素体があります。882.5°C未満では、安定した構造は六方最密充填構造のα-Tiです。882.5°Cから融点までは、安定した構造は体心立方構造のβ-Tiです。.

商業用純チタン（CPチタン）は、格子間元素および不純物元素の許容レベルに応じて、さまざまなグレードに分類されます。これらの不純物は、強度、延性、および耐食性に影響を与えます。 ASTM規格における一般的なグレードには、グレード1、2、3、4があり、本資料ではグレード2が一般的な産業用途において比較的広く使用されているグレードの一つであると指摘している。本記述は国際的なCPチタンの分類体系について説明したものであり、中国のCPチタングレードとの一対一の対応関係を定めたものではない。.

CPチタンは、優れた耐食性と適度な強度を兼ね備えています。航空機の外板や構造物、化学処理装置、反応器、熱交換器、海水淡水化装置など、極めて高い強度は必要とされないものの、耐食性が求められる部品に適しています。.

CPチタンは通常、従来の熱処理では強度を高めることができません。冷間加工を行うことで強度を高めることができます。主な熱処理としては、再結晶焼鈍と応力除去焼鈍があり、これらによって延性が回復し、残留応力が低減され、寸法安定性が向上します。.

組成、微細構造、分類および名称

合金元素

チタンには、強度を高めるために合金元素が添加される。α-Tiに溶解した元素はα固溶体を形成し、β-Tiに溶解した元素はβ固溶体を形成する。アルミニウム、炭素、窒素、酸素、ホウ素はα/β相転移温度を上昇させるため、α安定化元素と呼ばれる。 鉄、モリブデン、マグネシウム、クロム、マンガン、バナジウムは相変態温度を低下させるため、β安定化元素と呼ばれる。スズとジルコニウムは相変態温度にほとんど影響を与えないため、中性元素として扱われる。.

微細構造の分類

使用状態、あるいは焼鈍状態における微細組織に基づき、チタン合金はα合金、β合金、（α+β）合金、および少量のβ相を含むニアα合金に分類される。 中国の合金名称では、これら3つの主要な合金グループに対し、接頭辞「TA」、「TB」、「TC」に番号が続く形式が用いられている。また、性能によって、チタン合金は低強度合金、中強度合金、高強度合金として分類することもできる。.

チタン合金の熱処理

応力除去焼鈍

応力除去焼鈍は、機械加工や溶接によって生じた内部応力を除去するものです。資料によると、一般的な処理条件は、温度450～650°C、保持時間1～4時間、そして空冷とされています。.

再結晶焼鈍

再結晶焼鈍は、加工硬化を取り除きます。一般的な処理温度は、純チタンでは550～690°C、チタン合金では750～800°Cであり、1～3時間の保持時間の後に自然冷却を行います。.

焼入れと時効処理

焼入れおよび時効処理により、合金の強度と硬度が向上する。αチタン合金は、一般的に焼入れや時効処理を行わない。β合金や、安定化元素を比較的多く含む（α+β）合金の場合、焼入れ温度は通常、α+β二相領域の上限付近に設定される。 この資料によると、焼入れ温度は760～950°C、保持時間は5～60分、冷却方法は水冷とされています。.

焼入れ後、一部のα相が残留する一方で、β相は準安定状態となる。時効処理中に、準安定状態のβ相から分散したαが析出し、強度と硬度が向上する。 焼入れ・時効処理を施したTi-6Al-4Vの組織には、塊状のα+β相と針状のα相が含まれる。加熱時には、汚染、酸化、過熱を防ぐ必要がある。β相の結晶粒が過度に成長してしまうと、熱処理によって元の結晶粒径を回復させることはできなくなる。.

一般的なチタン合金の種類と用途

アルファチタン合金

αチタン合金は、完全にα固溶体で構成されているため、優れた靭性と延性を備えています。冷間加工により、板材や棒材などの半製品に成形することが可能です。その微細構造は高温でも安定しており、優れた耐酸化性と高温強度を有しています。 500～600°Cでは、3つの主要なチタン合金クラスの中で最も高い強度を示すが、室温での強度は一般的にβ合金や（α+β）合金よりも低い。 代表的な合金としてTi-5Al-2.5Snがあり、ミサイルの燃料タンクや超音速機のタービンケーシングなどに使用されている。.

ベータチタン合金

完全βチタン合金は、密度が比較的高いこと、耐熱性が低いこと、耐酸化性が低いことから、工業用途ではほとんど使用されません。700°C以上では、大気中の不純物ガスによって容易に汚染される上、製造プロセスも複雑です。 しかし、体心立方格子構造は優れた延性を備えており、これが準安定βチタン合金の開発につながった。代表的な合金としてTi-5Mo-5V-8Cr-3Alが挙げられる。これは一般的に、350°C以下の環境において、コンプレッサーブレード、シャフト、ディスクなどの高負荷を受ける回転部品に使用される。.

アルファ-ベータ系チタン合金

(α+β)チタン合金は、α系およびβ系合金の長所を兼ね備えています。優れた耐熱性と延性を有し、熱処理によって強度を高めることができ、製造も比較的容易です。 このグループの中で最も広く使用されている合金はTi-6Al-4Vである。これは、400°C以下の高温強度を必要とするエンジン部品や、ロケットやミサイルの低温環境で使用される液体水素燃料タンクの部品に適している。.

代表的な部品としては、チタン合金製の自動車用エンジン用ターボチャージャーや、精密鍛造された航空機用エンジンブレードなどが挙げられる。.

代表的な組成、特性、および用途