チタン合金のタイプと用途

チタン合金他の合金元素を添加したベース元素としてチタンで構成されています。 それらは、構造チタン合金と耐熱性チタン合金、またはより具体的には α 型、 β 型、および α + β 型チタン合金に分類することができます。

1.チタン合金の開発の歴史

チタンは1950年代に重要な構造金属として登場しました。 チタン合金材料の重要性を認識し、世界中の多くの国がそれらの研究と開発を開始し、実用化につながりました。

最初の実用的なチタン合金であるTi-6Al-4Vは、1954年に米国で開発されました。 優れた耐熱性、強度、可塑性、靭性、成形性、溶接性、耐食性、生体適合性により、チタン合金業界の基礎となりました。 この合金は、使用されるすべてのチタン合金の75% 〜85% を占め、他の多くのチタン合金はそれを修正しています。

チタンの工業生産は1948年に始まりました。 1950年代から60年代にかけて、航空宇宙エンジン用の高温チタン合金と機体用の構造チタン合金の開発に注力されました。 1970年代には耐腐食性チタン合金が開発され、1980年代以降、耐腐食性および高強度チタン合金がさらに進歩しました。 耐熱性チタン合金の動作温度は、1950年代の400 ℃ から1990年代の600〜650 ℃ に上昇しました。エンジンのコールドエンド (ファンとコンプレッサー) からホットエンド (タービン) への使用を拡大します。 構造チタン合金は、高強度、高可塑性、高靭性、高弾性率、および高い損傷耐性に向かって進化してきました。

1970年代以降、Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nbなどの形状記憶合金が開発され、エンジニアリングで広く使用されています。 中国では、チタンとチタン合金の研究が1956年に始まり、チタン材料の工業生産とTB2合金の開発がmid-1960sで始まりました。

2.チタン合金の主な分類

チタンは2つの同素体で存在します。 チタン合金はこれらの形態に基づいて分類され、融点は1668 ℃ である。 882 °C未満のチタンは、 α-チタンと呼ばれる六角形の最密結晶構造を持っています。 882 °Cを超えると、 β-チタンと呼ばれる体心立方構造になります。 適切な合金元素を追加することにより、相転移温度と相含有量を調整して、さまざまなチタン合金構造を作成できます。

室温では、チタン合金には3種類のマトリックス構造があり、 α 合金、 (α + β) 合金、および β 合金の3種類のチタン合金が生成されます。 中国では、それぞれTA、TC、TBで示されています。

Α チタン合金: 単相 α 固溶体で構成されるこれらの合金は、一般およびより高い適用温度の両方で安定した構造を持っています。 彼らは純粋なチタンに比べて高い耐摩耗性と耐酸化性を提供します。 強度と耐クリープ性を500〜600 °Cに維持しますが、熱処理で強化することはできず、室温強度は低くなります。

Β チタン合金: これらは、 β 固溶体からなる単相合金である。 熱処理なしで強度が高く、焼入れや熟成によってさらに強化できるため、室温強度は1372〜1666 MPaになります。 しかし、それらは熱安定性が低く、高温用途には適していません。

Α β チタン合金: これらは、良好な包括的特性、安定した構造、良好な靭性、可塑性、および高温変形性能を備えた二相合金です。 それらは、合金強化のために高温圧力で処理し、急冷し、熟成させることができます。 熱処理後の強度は、400〜500 ℃ での長期使用に適した高温強度で、アニール状態よりも約50% 〜100% 高く、それらの熱安定性は α チタン合金よりわずかに低いが。

3つのうち、 α チタン合金と α + β チタン合金が最も一般的に使用されています。 Α チタン合金が最高の被削性を提供し、 α β 合金がそれに続き、 β 合金が最も機械加工性が低くなります。

チタン合金は、アプリケーションによって耐熱合金、高強度合金、耐食性に分類することもできますアリ合金 (チタン-モリブデンおよびチタン-パラジウム合金など) 、低温合金、特殊な機能性合金 (チタン-鉄水素貯蔵材料やチタン-ニッケル記憶合金など)。

チタン合金の相組成と微細構造は、熱処理プロセスを調整することで変えることができます。

微細な同一構造は、優れた可塑性、熱安定性、および疲労強度を提供します。

針状構造は、高い耐久強度、クリープ強度、および破壊靭性を提供します。

混合された同値構造と針構造は、優れた全体的なパフォーマンスを提供します。

3.チタン合金の特性

チタン合金は、低密度、高い比強度、良好な耐食性、高い耐熱性、および好ましい加工特性により、理想的な航空宇宙構造材料です。 それらはさまざまな分野で広く使用されています。

チタンは比較的新しい金属であり、その特性は炭素、窒素、水素、酸素などの不純物の含有量に影響されます。 最も純粋な形態であるヨウ化物チタンは、0.1% 未満の不純物を含み、強度は低くなりますが可塑性は高くなります。 純度99.5% の工業用純チタンの密度は4.5g/cm ³ 、融点は1725 °C、硬度はHB195です。

高強度: チタン合金の密度は約4.51g/cm ³ で、鋼の密度の60% にすぎません。 純チタンは通常の鋼と同様の強度を持ち、一部の高強度チタン合金は多くの合金鋼を上回っています。 その結果、チタン合金は他の金属構造材料よりもはるかに高い比強度 (強度/密度) を持ち、高い単位強度、優れた剛性、および軽量のコンポーネントの製造を可能にします。 チタン合金は、航空機のエンジンコンポーネント、フレーム、スキン、ファスナー、着陸装置に使用されています。

高耐熱性: チタン合金は、アルミニウム合金よりも数百度高い温度で動作し、中程度の温度で必要な強度を維持し、450〜500 °Cで長期間動作します。 それらは150〜500 °Cの間で高い比強度を保持しますが、アルミニウム合金の比強度は150 °Cで大幅に低下します。 チタン合金は、アルミニウム合金の200 ℃ 未満と比較して、500 ℃ までの温度で働くことができる。

良好な耐腐食性: 湿度の高い大気や海水では、チタン合金は耐腐食性においてステンレス鋼よりも優れています。 それらは、孔食、酸腐食、および応力腐食に抵抗し、塩基、塩化物、有機物質、硝酸、および硫酸に対して優れた耐性を持っています。 しかしながら、それらは、酸素およびクロム酸塩媒体を減少させることに対して抵抗性が低い。

良好な低温性能: チタン合金は、低温および超低温で機械的特性を保持します。 極低レベルの間質元素を含む合金は、-253 °Cでもある程度の可塑性を維持できるため、チタン合金は重要な低温構造材料になります。

高化学活性: チタンは化学反応性が高く、大気中のO、N、H、CO、CO2、水蒸気、およびアンモニアと強く反応します。 炭素含有量が0.2% を超えると、合金中に硬いTiCが形成される。 高温では窒素とTiNを形成し、600 °Cを超えると酸素を吸収して硬い表面層を形成します。 水素含有量の増加は脆化につながります。 ガス吸収による硬化した脆性層の深さは0.1〜0.15mmに達し、硬度は20% 〜30% 増加します。 チタンは化学的親和性も高く、摩擦面に容易に付着します。

低熱伝導率と弾性弾性率: チタンの熱伝導率は15.24 W/(m・K) で、ニッケルの約4分の1、鉄の5分の1です。そしてアルミニウムの14分の1。 様々なチタン合金の熱伝導率は、純粋なチタンの熱伝導率よりも約50% 低い。 チタン合金は鋼の約半分の弾性率を持っているため、剛性が低く、変形しやすくなります。 これは、機械加工中の大きなスプリングバックとともに、切削工具の高い摩擦と摩耗につながります。

4.チタン合金の進歩

チタン、チタン合金、およびチタン化合物の優れた特性は、それらの使用のための差し迫った必要性を生み出しました。 しかし、それらの高い生産コストは、その用途を制限している。 チタン合金部品の優れた性能にもかかわらず、それらは広く使用されていません。 含まれる理由Eそれらの高コスト、不十分な成形性、および挑戦的な溶接特性。 チタン合金の価格は、初期製錬とその後の加工の両方の点で、他の金属よりも大幅に高くなっています。

近年、チタン合金のニアネットシェイプ技術と、電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接、レーザー溶接などの最新の溶接技術の開発に伴い、チタン合金の形成と溶接の問題は、もはやその用途に対する主要な障壁ではありません。 世界中の国々は現在、低コストで高性能な新しいチタン合金を開発しており、大きな市場の可能性を秘めた民間産業にチタン合金を導入するよう努めています。 チタン合金材料の研究における最近の進歩は、国内外で、次のようにまとめることができます。

高温チタン合金

近年、外国の研究者は、急速凝固/粉末冶金技術と繊維または粒子強化複合材料を使用した高温チタン合金の開発に焦点を合わせています。 これにより、チタン合金の操作温度が650 ℃ 以上に上昇しました。 米国のマクドネル・ダグラスは、急速凝固/粉末冶金技術を使用して、高純度、高密度チタン合金の開発に成功しました。これは、室温で現在のチタン合金の強度に匹敵する760 °Cの強度を持っています。

アルミニウムチタン系チタン合金

一般的なチタン合金と比較して、Ti3Al (α2) やTiAl (γ) などのチタンアルミニドベースの金属間化合物、高温性能 (それぞれ816 °Cと982 °Cの最高動作温度) 、耐酸化性、クリープ抵抗、そして軽量の特性 (密度はニッケル基の超合金の半分だけです)。 これらの利点により、将来の航空宇宙エンジンおよび航空機構造コンポーネント向けの非常に競争力のある材料になります。

高力、高靭性 β 型チタン合金

最初の β 型チタン合金であるB120VCA (Ti-13V-11Cr-3Al) は、米国のクルーシブル社によってmid-1950sで開発されました。 Β 型チタン合金は、良好な高温および低温加工性を持ち、鍛造、ロール、および溶接が容易であり、高い機械的特性、良好な環境抵抗を達成することができます。そして解决老化の処置を通した强さおよび破壊の靭性のよいバランス。 最も代表的な新しい高力、高靭性の β 型チタン合金は次のとおりです。

Ti1023 (Ti-10V-2Fe-# Al): この合金は、航空機の構造部品で一般的に使用されている30CrMnSiA高強度構造鋼に匹敵し、優れた鍛造特性を備えています。

Ti153 (Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn): この合金は、商業的に純粋なチタンよりも優れた低温加工特性を備えており、熟成室温の引張強度は1000 MPaを超えています。

Β21S (Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si): 米国のTitanium MetalsCorporationの一部門であるTimetによって開発されました。S.、この新しい耐酸化性、超高強度チタン合金は、優れた耐酸化性、および高温および低温加工性を持ち、0.064mmの薄さの箔にすることができます。

耐炎性チタン合金

従来のチタン合金は、特定の条件下で燃焼する傾向があり、その用途が大幅に制限されます。 これに対処するために、さまざまな国が難燃性チタン合金を研究し、一定のブレークスルーを達成しました。 米国は、F119エンジンで使用されている、持続燃焼に敏感でない難燃性チタン合金であるAlloyCを開発しました。 ロシアが開発したBTT-1とBTT-3は、Ti-Cu-Alシステムの難燃性チタン合金であり、優れた熱変形加工特性を持ち、複雑な部品の製造に使用できます。

医療用チタン合金

チタンは無毒で軽量で丈夫で、生体適合性に優れているため、人体のインプラントなどの医療用途に理想的な材料となっています。 現在、Ti-6Al-4V ELI合金は医療分野で広く使用されています。 ただし、この合金は微量のバナジウムおよびアルミニウムイオンを放出し、その細胞適合性を低下させ、人体に害を及ぼす可能性があります。 この問題は、医学界では長い間懸念されてきました。 Mid-1980sには早くも、米国は整形外科で使用するためのアルミニウムフリー、バナジウムフリー、生体適合性チタン合金の開発を開始しました。 日本、英国、その他の国々もこの分野で広範な研究を行い、いくつかの新たな進歩を遂げました。 近い将来、高强度、低弾性、耐腐食性のチタン合金は、医疗分野で広く使用されているTi-6Al-4V ELI合金に取って代わる可能性が高いと推定されている。

5、チタン合金の主な用途

チタン合金は、アルミニウムと鋼の密度、強度、および動作温度を備えた、航空宇宙産業で使用される新しい重要な構造材料です。 彼らは高い比强度と优れた海水の耐食性と超低温性能を持っています。 チタン合金は、主に航空機エンジン用のコンプレッサーコンポーネント、およびロケット、ミサイル、高速航空機用の構造コンポーネントの製造に使用されます。 Mid-1960s以来、チタンとその合金は一般産業に適用され、電気分解産業の電極、発電所のコンデンサー、石油精製および海水淡水化用のヒーターの製造に使用されてきました。そして环境汚染制御装置。 チタンとその合金は一種の耐食性構造材料になり、水素貯蔵材料と形状記憶合金の製造にも使用されています。

軽量、高い比强度、および良好な耐食性のために、チタン合金は、航空产业、特にエンジンシステムにおいて広く使用されている。 エンジン部品の製造にチタン合金を使用すると、多くの利点があります。

チタン合金の密度が低いと、可動部品の慣性質量が減少し、摩擦が減少し、燃料効率が向上します。 チタンバルブスプリングは、自由振動を増加させ、振動を減らすことができます。

チタン合金を選択すると、関連するコンポーネントへの負荷ストレスを軽減し、部品のサイズを小さくすることができ、それによってエンジンと航空機全体の重量を減らすことができます。 成分慣性質量の低減により、振動と騒音が低減され、エンジン性能が向上し、エンジン速度と出力が向上します。 他のコンポーネントにチタン合金を適用すると、快適さと美観を高めることができます。 チタン合金は、省エネと消費の削減に非常に重要な役割を果たします。

チタン合金は、高強度、低密度、良好な機械的特性、靭性、および優れた耐食性を有する。 ただし、加工性が低く、機械加工が困難で、高温処理中に水素、酸素、窒素、炭素などの不純物を吸収する傾向があるほか、耐摩耗性や複雑な製造プロセスもあります。現在の課題。 航空宇宙産業の進歩の必要性により、チタン産業は年間平均約8% の成長率で成長しています。 現在、世界中のチタン合金加工材料の年間生産量は40,000トンを超え、30グレード近くのチタン合金があります。

高強度と優れた耐食性を利用したチタン合金製の高強度スプリングは、現在、マットレスなどの民間用途で広く使用されています。 マットレススプリングにチタン合金技術を組み込むことで、新しいチタン合金スプリングは体の輪郭に合わせて、ソフトからしっかりと移行する独自のサポートを提供し、深い睡眠の快適さを提供します。 さらに、2回の高温成形処理により、スプリングの弾力性と弾力性が大幅に向上し、耐久性が向上します。