二元チタン状態図の 4 つの主な形式の説明

チタンの合金開発は常に二元系から始まります。二元状態図の形状によって、冶金学者は 1 回の試行加熱が行われる前に元素がどのように動作するかがわかるからです。 II Kornilov の分類によれば、チタン-に富む部分の二元系の状態図は 4 つの主な形式をとり、それぞれの形式は異なる種類の合金化挙動と異なる種類の市販合金に対応します。

フォーム 1: 連続アルファおよび連続ベータ固体溶液

最初の形態では、最密六方格子を備えたアルファ相と、体心立方格子を備えたベータ相の両方が、組成範囲全体にわたって連続固溶体を形成します。{{1}このように動作するのは、Ti-Zr と Ti-Hf の 2 つの二元系だけです。その説明は周期表にあります。チタン、ジルコニウム、ハフニウムは同じグループに属しているため、それらの原子は同じ外部電子構造、同じ格子型、および同様の原子半径を共有し、どちらの相でも自由に互いに置換できます。同じ理由により、三元 Ti-Zr-Hf 系も三元連続固溶体を形成すると予想されます。

フォーム 2: 限定されたアルファ固体溶液を含む継続ベータ

2 番目の形態では、ベータは連続固溶体ですが、アルファは限られた量の添加元素のみを溶解します。このグループには、Ti-Mo、Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta の 4 つの二元系が属します。モリブデン、バナジウム、ニオブ、タンタルはそれぞれ、体心立方格子という結晶構造を 1 つだけ持っているため、ベータチタンと完全に混和し、最密六方晶アルファ相には部分的にのみ溶解します。-これは、準安定ベータ合金で使用される同形ベータ安定剤の起源です。多成分合金でチタンをアルミニウム、バナジウム、ニオブ、タンタルと組み合わせると、同じパターンが再び現れます。ベータは連続固溶体を形成することができますが、アルファは限定された固溶体のままです。

フォーム 3: 化合物形成を伴う固体状態の包接反応-

3 番目の形式は、1 つ以上の金属間化合物の形成を伴う固体状態での反応を示します。このタイプの二元系には、Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ce、Ti-B、Ti-C などがあります。これらのうち最初の 3 つは広いアルファ固溶体領域を持ち、その広い領域こそが耐熱性チタン合金において重要なものです。-これにより、かなりの量のアルミニウムまたはスズがアルファ相に溶解し、高温強度が向上します。-対照的に、ホウ素と炭素のシステムは、主にそれらが形成する非常に硬い化合物として興味深いものです。

形態 4: 化合物形成を伴う固体状態の共析反応-

4 番目の形式には、固体状態の共析反応と特定の化合物の形成が含まれます。-この図を生成するシステムには、Ti-Sc、Ti-Cr、Ti-W、Ti-U、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Pd、Ti-Pb が含まれます。これらの共析-形成元素は経済的なベータ安定剤ですが、それらが形成できる化合物により、加工が困難になり靭性が低下する前に許容できる添加量が制限されます。そのため、このような合金の熱サイクルは厳密に制御されます。

データ範囲と分類の実用化

周期表にある100種類以上の元素のうち、70種類以上が状態図として表現できるチタンとの二元系を形成しており、そのうち約50～60種類については研究データが入手可能である。この分類には直接的な実用的価値があります。添加によりアルファが安定化するのか、ベータが同形で安定化するのか、あるいは熱処理中に管理する必要がある共析反応を通じてベータが安定化するのかが設計者にすぐにわかります。また、市販のチタン合金のアルファ-ベータおよびニア-アルファ ファミリが主にアルミニウム、バナジウム、モリブデン、ジルコニウム、スズを主成分として作られているのに対し、鉄、クロム、シリコンはより慎重に使用される理由も説明されています。

よくある質問

Q: 二元チタン状態図の分類を確立したのは誰ですか?
チタンが豊富な二元系の状態図の 4 つの主な形式は、II Kornilov の分類に従っており、このグループ分けは、合金元素がチタン中でどのように挙動するかを説明するために今でも使用されています。{0}

Q: 連続アルファ固溶体と連続ベータ固溶体を形成する二元系はどれですか?
Ti-Zr と Ti-Hf の 2 つだけです。チタン、ジルコニウム、およびハフニウムは、周期表の同じグループ、同じ格子タイプ、および同様の原子半径を共有しているため、両方の相で完全に相互溶解できます。

Q: 連続的なベータ固溶体と限定的なアルファ固溶体を持つシステムはどれですか?
Ti-Mo、Ti-V、Ti-Nb、Ti-Ta。これらの金属はそれぞれ体心立方構造のみを持っているため、ベータチタンと完全に混合しますが、六方晶系アルファ相とは部分的にのみ混合します。-

Q: 化合物形成を伴う固体状態の包接反応を示すのはどの系ですか?{0}}
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ce、Ti-B、Ti-C。アルミニウム、スズ、セリウム系には広いアルファ固溶体領域があり、それが耐熱性チタン合金において重要である理由です。-

Q: 固体状態の共析反応を通じて化合物を形成するのはどのシステムですか?{0}}
例としては、Ti-Sc、Ti-Cr、Ti-W、Ti-U、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Pd、Ti-Pb などがあります。形成される化合物によって、これらの元素をどれだけ添加できるかが制限されます。

Q: チタンとの二元系を形成する元素は何個ありますか?
70 以上の元素がチタンとの二元系を形成しており、状態図として描くことができ、公開された研究データはそれらの系のうちおよそ 50 ～ 60 をカバーしています。