チタン合金の構造と分類

チタンの基礎知識

チタンは1950年代に開発された重要な構造金属です。チタン合金は、比強度が高く、耐食性に優れ、耐熱性が高いため、様々な分野で広く使用されています。世界の多くの国がチタン合金材料の重要性を認識し、それらを研究・開発し、実用化しています。チタンは周期表の4番目のB元素です。鋼のように見え、融点は1 672 Cです。高融点金属です。チタンは地殻に豊富に含まれ、Cu、Zn、Sn、Pbなどの一般的な金属よりもはるかに高い。中国のチタン資源は非常に豊富です。四川省のパンジフア地域で発見された超大型バナジウムチタンマグネタイトでのみ、関連するチタン埋蔵量は約4億2,000万トンに達し、これは海外で証明されたチタン埋蔵量の合計に近い値です。チタン合金は、耐熱合金、高強度合金、耐食合金（Ti-Mo、Ti-Pd合金など）、低温合金、特殊機能合金（Ti-Fe水素貯蔵材料、Ti-Niメモリ）に分類できます。合金）。

チタン合金の要素

チタン合金は、チタンをベースに他の元素を添加した合金です。チタンには、2種類の均質な不均質結晶があります。882C未満の緻密な六角形構造のアルファチタンと、882 Cを超える体心立方構造のベータチタンです。合金化元素は、相変態温度への影響に応じて、3つのカテゴリに分類できます。 1.アルファ相を安定させ、相変態温度を上げる元素は、アルミニウム、炭素、酸素、窒素などのアルファ安定元素です。その中でも、アルミニウムはチタン合金の主要な合金元素です。それは、室温および高温での強度の改善、比重の低減、および合金の弾性率の増加に明らかな効果をもたらします。 （2）安定ベータ相と減少する相転移温度はベータ安定要素であり、同型と共析の2つのタイプに分類できます。前者にはモリブデン、ニオブ、バナジウムが含まれ、後者にはクロム、マンガン、銅、鉄、シリコンが含まれます。 （3）ジルコニウムやスズなどの中性元素は、相転移温度にほとんど影響を与えません。

酸素、窒素、炭素、水素はチタン合金の主な不純物です。酸素と窒素はアルファ相への溶解度が高く、チタン合金に大きな強化効果がありますが、その可塑性は低下します。チタンの酸素と窒素の含有量は、通常それぞれ0.15-0.2%と0.04-0.05%未満と規定されています。アルファ相における水素の溶解度は非常に小さいです。チタン合金に溶け込んだ過剰な水素は水素化物を生成し、合金をもろくします。通常、チタン合金の水素含有量は0.015%以下に制御されます。チタンへの水素の溶解は可逆的です。

分類

チタンは、融点が1720（？）Cの異性体であり、882（？）未満の温度では緻密な六方格子構造（アルファチタン）と呼ばれ、882（？）Cを超える温度では体心立方格子構造です。 、ベータチタンと呼ばれています。適切な合金元素を添加して相変態温度と相含有量を徐々に変化させることにより、微細構造の異なるチタン合金を得ることができます。チタン合金は、室温で3種類のマトリックス構造を持っています。チタン合金は、アルファ合金、（アルファ+ベータ）合金、ベータ合金の3つのカテゴリに分類することもできます。中国はそれぞれTA、TC、TBで表されます。

アルファチタン合金

アルファ相固溶体からなる単相合金です。それは、一般的な温度とより高い実用的なアプリケーション温度の両方でアルファ相です。純チタンよりも安定した構造、耐摩耗性、耐酸化性に優れています。その強度と耐クリープ性は500〜600℃の温度でも維持されますが、熱処理では強化できず、室温での強度は高くありません。

ベータチタン合金

β相固溶体からなる単相合金です。熱処理なしで高強度です。焼入れと時効の後、合金はさらに強化され、その室温強度は1372-1666 MPaに達することがあります。ただし、熱安定性が悪く、高温での使用には適していません。

Alpha + betaチタン合金

これは、優れた包括的な特性、優れた構造安定性、優れた靭性、可塑性、および高温変形特性を備えた二相合金です。高温での加工が可能で、焼入れ・時効により強化できます。熱処理後の強度は焼鈍状態に比べて50%-100%増加し、400〜500℃で高温強度が長時間持続し、熱安定性はαチタン合金に劣ります。

3種類のチタン合金の中で、アルファチタン合金とアルファ+ベータチタン合金が最も一般的に使用されています。アルファチタン合金は切削性が最も優れており、アルファ+ベータチタン合金、ベータチタン合金がそれに続きます。アルファチタン合金コードTA、ベータチタン合金コードTB、アルファ+ベータチタン合金コードTC。

チタン合金の応用

チタン合金は、耐熱合金、高強度合金、耐食合金（Ti-Mo、Ti-Pd合金など）、低温合金、特殊機能合金（Ti-Fe水素貯蔵材料、Ti-Niメモリ）に分類できます。合金）。代表的な合金の組成と特性を表に示します。

熱処理プロセスを調整することにより、異なる相の組成と構造を得ることができます。一般に、細かい等軸構造の方が可塑性、熱安定性、疲労強度が優れていると考えられています。針状構造は、より高い耐久力、クリープ強度、破壊靭性を持っています。等軸および針状の混合構造は、より包括的な特性を備えています。

チタン合金は、高強度、低密度、優れた機械的特性、優れた靭性および耐食性を備えています。さらに、チタン合金は技術的性能が低く、切削が困難です。熱間加工で水素、酸素、窒素、炭素などの不純物を吸収しやすい。また、耐摩耗性が低く、製造プロセスが複雑です。チタンの工業化生産は1948年に始まりました。航空産業の発展に伴い、チタン産業は年間平均8%のペースで成長しています。現在、世界のチタン合金加工材料の年間生産量は40,000トン以上に達し、30種類近くのチタン合金グレードがあります。最も広く使用されているチタン合金は、Ti-6Al-4V（TC4）、Ti-5Al-2.5Sn（TA7）および工業用純チタン（TA1、TA 2およびTA3）です。

チタン合金は主に航空機エンジンのコンプレッサー部品の製造に使用され、続いてロケット、ミサイル、高速航空機が使用されます。 1960年代半ばに、チタンとその合金は、一般産業で電解業界の電極、発電所のコンデンサー、石油精製用ヒーター、海水淡水化、環境汚染防止装置の製造に使用されてきました。チタンとその合金は、一種の耐食構造材料になっています。さらに、水素貯蔵材料や形状記憶合金の製造にも使用されます。

チタンとチタン合金は1956年に中国で研究され、チタン材料とTB2合金の工業生産は1960年代半ばに開発されました。

チタン合金は、航空宇宙産業で使用される新しい重要な構造材料です。比重、強度、使用温度はアルミとスチールの中間ですが、比強度が高く、耐海水腐食性、極低温性能に優れています。 1950 年、米国は最初に F-84 戦闘爆撃機を胴体後部断熱板、エア ガイド フード、テール フードなどの非耐荷重コンポーネントとして使用しました。 1960 年代以降、チタン合金の使用は胴体後部から胴体中央部に移行し、構造用鋼を部分的に置き換えて、パーティション、ビーム、フラップ、スライドなどの重要な耐荷重コンポーネントを製造しています。軍用機に使用されるチタン合金の量は急速に増加し、航空機構造の重量は 20%-25% に達しています。チタン合金は、1970 年代から民間航空機で広く使用されてきました。たとえば、ボーイング 747 旅客機に使用されているチタンの量は 3640 kg を超えています。マッハ数が 2.5 未満の航空機のチタンは、主に構造重量を軽減するために鋼の代わりに使用されます。たとえば、米国の SR-71 高高度高速偵察機 (飛行マッハ数 3、飛行高度 26,212 メートル) では、チタンは航空機の構造重量の 93% を占め、「オールチタン」航空機として知られています。航空エンジンの推力重量比が 4 から 6 から 8 から 10 に増加し、圧縮機の出口温度が 200 から 300 ℃ から 500 から 600 ℃ に上昇すると、元の低圧圧縮機のディスクとブレードは構造重量を減らすために、アルミニウムをチタン合金に置き換えるか、ステンレス鋼の代わりにチタン合金製の高圧圧縮機ディスクとブレードを使用する必要があります。 1970 年代には、航空エンジンに使用されるチタン合金の量は、一般的に構造の総重量の 20%-30% を占めていました。主に、鍛造チタン ファン、コンプレッサー ディスクおよびブレード、鋳造チタン コンプレッサー ケーシング、中間ケーシング、ベアリング ハウジングなどのコンプレッサー コンポーネントの製造に使用されました。宇宙船は、主にチタン合金の高い比強度、耐食性、および低温耐性を利用しています。さまざまな圧力容器、燃料タンク、ファスナー、インストルメント ストラップ、フレームワーク、ロケット シェルを製造しています。人工地球衛星、月着陸船、有人宇宙船、スペースシャトルにもチタン合金板の溶接部が使われています。