さまざまな種類のチタン合金

チタン合金は、高強度、軽量、優れた耐食性で知られるエンジニアリング材料です。

チタンをさまざまな元素と合金化することにより、これらの合金は、さまざまな業界の特定の性能要件を満たすように開発できます。

この記事では、チタン合金の分類、その機械的、物理的、熱的特性、チタン合金が使用されている産業、機械加工と熱処理の考慮事項について詳しく説明します。-

アルファ合金は、アルミニウム、酸素、窒素、炭素などの化学元素によって安定化された HCP 結晶構造を持つ単相材料です。-これらの合金は適度な強度を備え、耐食性が高く、高温でも優れた性能を発揮します。-

単相構造のため熱処理ができず、析出硬化が制限されます。{0}{1}

代わりに、アルファ-安定化化学元素は固溶体強化によって高強度を促進しますが、過度の合金化（アルミニウム当量が 9% を超えるなど）は脆い金属間化合物を析出させる可能性があります。この合金は、過酷な環境において破壊靱性と耐クリープ性を提供します。

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ニア-アルファチタン合金は、主にアルファ相とモリブデンやシリコンなどのベータ安定化化学元素を 1～2% 含む-で構成され、少量の延性ベータ合金相が導入されます。

これらの合金は、アルファ合金の耐食性と破壊靱性を維持しながら、熱間加工性を向上させ、限られた熱処理性を備えています。

その微細構造は基本的にアルファであり、粒界に沿って少量のベータ粒子が存在し、高温で耐クリープ性を示すため、一部の用途に役立ちます。

アルファ-合金は微細構造に 2 つの相を持ち、アルミニウムなどのアルファ-安定化化学元素とバナジウムやモリブデンなどのベータ-安定化化学元素の添加によるアルファ相とベータ相の両方の混合物で構成されています。

これらの合金は熱処理可能であり、焼き入れと時効により高強度が大幅に向上します。アルファ合金およびアルファに近い合金と比較して、ベータ相は良好な成形性、疲労耐性、および低いクリープ耐性を提供します。

アルファ-ベータ合金 Ti-6Al-4V はバランスのとれた機械的特性を備えており、チタン合金の約 50% を使用しています。

ベータチタン合金は、モリブデン、バナジウム、鉄などの高濃度のベータ安定化元素によって安定化された BCC 構造を持っています。{0}これらの合金は熱処理可能であり、時効中に微細なアルファ粒子が析出することによって非常に高い強度に達することができます。

ベータ合金は優れた冷間成形性と耐破壊性を備えていますが、熱処理すると延性と疲労耐性が低下します。-

モリブデン当量が 10 ～ 30 の準安定ベータ合金は、急速冷却後も完全にベータ状態を維持し、最も要求の厳しい用途に高い強度を提供できます。

Ti-6Al-4V (または ASTM グレード 5) は、約 6% のアルミニウムと 4% のバナジウムを含み、少量の炭素、窒素、水素を含むよく使用されるチタン合金です。

これは、895-1100 MPa の範囲の引張強さを発現するアルファ-ベータ合金であり、大気腐食耐性があり、非常に優れた強度重量比を備えているため、航空宇宙および生物医学材料で好まれています。-

熱処理プロセスでは、溶体化処理と時効処理をバランスよく行い、良好な延性を維持しながら高強度を促進することで、望ましい機械的および物理的特性を得ることができます。{0}}

ニアアルファ コンボである Ti-6242 は、高温で開発されました。-アルミニウム 6%、錫 2%、ジルコニウム 4%、モリブデン 2% が含まれており、優れた耐クリープ性を備え、最大 550 度の高温でも高強度を維持します。

その微細構造は耐腐食性と熱安定性をサポートするため、ジェット エンジンやその他の高温の航空宇宙部品に適しています。-

機械的性質

チタン合金の機械的特性は、耐荷重用途にとって非常に重要です。{0} MatWeb データに基づいて、以下の表に主要なチタン グレードの引張強さ、降伏強さ、伸び、および硬度を詳しく示します。

これには中強度と高延性の商用純チタン グレードが含まれており、商用純チタン グレードの中でグレード 4 が最も強力です。 Ti-6242 などのアルファ合金および近アルファ合金は、中程度の強度と高い破壊靱性を備えています。

Ti-6Al-4V などのアルファ-ベータ タイプは、高い強度と耐疲労性を備えています。対照的に、ベータ C などの高温ベータ合金は 1200 MPa 以上で発達する可能性があり、高応力用途に適していますが、延性が限られています。

物理的特性

物理的特性は、特定の重量または磁気特性を必要とする用途に対する合金の適合性に影響します。以下の表は、MatWeb から提供されたもので、密度と比重の詳細を示しています。

密度が 4.4 ～ 4.8 g/cm3 のチタン合金は、鋼鉄 (7.9 g/cm3) などの他の金属よりもはるかに軽いため、軽量でありながら優れた強度を実現します。チタン合金は、医療や航空宇宙の要件など、低磁気干渉が必要な場合に適した選択肢です。

電気的特性

チタン合金は銅などの他の金属（0.017μΩ・m）に比べて電気抵抗率が高い（0.42～1.78μΩ・m）ため、導電性が低くなります。

この特性は、化学処理装置など、耐食性と非導電性が最も求められるセットアップでは電気絶縁材料として機能します。{0}}

熱特性

熱特性は、高温を伴う用途にとって重要です。以下の表は、熱伝導率と最大使用温度の詳細を示しています。

出荷時のチタン合金は熱伝導率が低いため、機械加工は困難ですが、高温下では許容可能です。

相の安定性のため、市販の純チタンは 350 度までに制限されますが、Ti-6Al-4V や Ti-6242 などの合金はそれぞれ 400 ～ 550 度の極端な温度に耐えることができます。

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