チタンとその合金：知っておくべきことすべて

1.チタンの供給源

チタンは1791年、イギリスのグレガーというアマチュア鉱物学者によって初めて発見された。1795年までには、クラプロスというドイツの化学者がこの未知の金属物質をギリシャ神話の神々、タイタンにちなんで命名した。

チタンは地球上に豊富に存在し、140種類以上のチタン鉱物が知られている。しかし、主な工業用途はイルメナイトとルチルである。中国は世界のイルメナイト埋蔵量の28%を保有し、世界第1位である。

誰もが認める無毒元素であるチタンは、採掘・生産コストが高いため高価である。高温・低温に耐え、強酸・強塩基に強く、強度が高く密度が低いことから、NASAのロケットや人工衛星の特殊材料となっている。

また、玉兎号、J-20、山東空母など、わが国のスーパープロジェクトにも使用されている。1980年代に消費者市場に参入した後、その天然の抗菌性と生体適合性により、食器業界の「栄誉の王」となった。

中国のチタン産業は1950年代に始まった。1960年代半ばまでに、中国は遵義と宝吉にそれぞれスポンジチタンとチタン加工工場を設立し、中国はチタン産業における世界的な大国のひとつとなった。

21世紀、中国のチタン産業は加速度的に発展する新たな時代を迎え、その生産能力は世界をリードしている。

2.純チタンとチタン合金の違い

純チタン

工業用純チタン、商業用純チタンとも呼ばれ、不純物元素の含有量によりグレード分けされています。プレス加工性に優れ 溶接性その強度は主にギャップ元素の酸素と窒素の含有量に依存する。その強度は主にギャップ元素である酸素と窒素の含有量に依存する。

99.5%工業用純チタンの特性は：密度P=4.5g/cm³融点1800℃、熱伝導率λ=15.24W/(M.K)、引張強さσb=539MPa、伸びδ=25%、断面収縮率ψ=25%、弾性率E=1.078×105MPa、硬度HB195。

チタン合金

チタン合金は、チタンをベースとし、その他の元素からなる合金である。発見から現在までの歴史は60～70年と比較的若い金属である。チタン合金材料は、軽量、高強度、小弾性、耐高温性、耐食性などの特徴を持つ。

主に航空エンジン、ロケット、ミサイルなどの部品に使用される。チタンには2種類の同型複屈折結晶がある。チタンは同形同素体で、融点は1720℃。882℃以下ではαチタンと呼ばれる六方晶の緻密な結晶構造を示し、882℃以上ではβチタンと呼ばれる体心立方格子構造を示す。

チタンの上記2つの構造の異なる特性を利用し、適切な合金元素を加え、相転移温度と相含有率を徐々に変化させることで、異なる組織のチタン合金（チタンアロイ）が得られる。

チタン合金元素は、相転移温度への影響によって3つのカテゴリーに分けられる：

安定なα相、相転移温度を上昇させる元素はα安定化元素であり、アルミニウム、マグネシウム、酸素、窒素などである。その中でもアルミニウムはチタン合金の主な合金元素であり、合金の室温および高温強度を向上させ、比重を下げ、弾性率を高める明らかな効果があります。

安定なβ相、相転移温度を低下させる元素がβ安定化元素。同型(isomorphous)と共晶(eutectic)に分けられる。前者にはモリブデン、ニオブ、バナジウムなどがあり、後者にはクロム、マンガン、銅、ケイ素などがある。

相転移温度にほとんど影響を与えない中性元素には、ジルコニウム、スズなどがある。

チタンおよびチタン合金の銘柄と化学成分表

最もよく使用されるグレード：

TA1（アメリカンスタンダード：Gr1）

TA1(Gr1)チタンは、4つの工業用純チタン等級の最初のものです。これらの等級の中で最も柔らかく、最も延性があります。最高の成形性、優れた耐食性、高い衝撃靭性を備えています。TA1グレードは、容易な成形性を必要とするあらゆる用途に選択される材料であり、一般的にチタンプレートやチタンチューブに使用されます。

TA2（アメリカン・スタンダード：Gr2） グレード

TA2グレードチタンはその多様性と幅広い入手可能性から、商業用純チタン業界の「主力」として知られています。TA1グレードのチタン合金と多くの特質を共有していますが、若干強度があります。耐食性はどちらも同等です。

このグレードは溶接性、強度、延性、成形性に優れています。このため、TA2グレードのチタン棒とチタン板は、建設、発電、医療産業における多くの用途で最良の選択となっています。

TA3（アメリカンスタンダード：Gr3） グレード

この材種は市販の純チタン材種の中で最も使用されていませんが、だからといってその価値が下がるわけではありません。TA3はTA1やTA2よりも強度が高く、延性は同程度ですが、成形性は若干劣ります。しかし、それ以前のグレードよりも高い機械的特性を有しています。

TA3グレードは、航空宇宙、化学処理、海洋産業など、適度な強度と一次耐食性を必要とする用途に使用される。

TA4（アメリカンスタンダード：Gr4） グレード

TA4グレードは、4つの市販純チタングレードの中で最も強いと考えられています。また、優れた耐食性、良好な成形性、溶接性でも知られています。一部の機体部品、低温容器、熱交換器など、高い強度を必要とする用途に使用されています。

TA9（アメリカンスタンダード：Gr7） グレード

TA9等級は、パラジウムの添加により合金となることを除けば、機械的・物理的にTA2等級と同等です。グレード7は優れた溶接性と特性を持ち、全てのチタン合金の中で最も耐食性に優れています。

実際、還元性酸に対して最も耐食性が高い。TA9グレードは、化学プロセスおよび生産設備部品に使用されます。TA9は、特に還元性酸性環境において極めて強い耐食性を示します。

TA9-1（アメリカンスタンダード：Gr11） グレード

TA9-1材種はTA1材種によく似ており、耐食性を高めるために少量のパラジウムを添加した合金である。この耐食性は、隙間腐食の防止や塩化物環境での酸の低減に利用できる。

その他の有用な特性として、最適な延性、冷間成形性、有用な強度、衝撃靭性、優れた溶接性が挙げられる。この合金は、特に腐食が要求される場合、グレード1と同じチタン用途に使用できます。

Ti 6Al-4V (中国標準TC4、米国標準Gr5) グレード

しばしばチタン合金の「主力」と呼ばれるTi 6Al-4Vまたはグレード5チタンは、全てのチタン合金の中で最も一般的に使用されています。世界のチタン使用量の50%を占めています。その人気は数々の利点に起因しています。

Ti 6Al-4Vは、強度を高めるために熱処理が可能である。使用温度は600°Fと高く、構造物の溶接に使用できる。この合金は、軽量でありながら、高強度、有用な成形性、高耐食性を持っています。Ti 6Al-4Vの多用途性により、航空宇宙、医療、海洋、化学処理など様々な産業に最適な合金となっている。この合金は、以下のような技術的内容を作成するために使用することができます：

• 航空機用タービン
• エンジン部品
• 航空機構造部品
• 航空宇宙用ファスナー
• 高性能自動車部品
• マリンアプリケーション
• スポーツ用品

Ti 6AL-4V ELI (中国標準TC4ELI、米国標準Gr23) 等級

Ti 6AL-4V ELIまたはTC4ELIグレードは、Ti 6Al-4Vの純度が高い。コイル、撚り線、電線、フラットワイヤーに加工できます。高強度、軽量、良好な耐食性、高靭性が要求されるあらゆる場面での最良の選択です。他の合金に比べ、耐損傷性に優れています。

これらの利点により、TC4ELIグレードは究極の歯科用および医療用チタングレードとなっています。その生体親和性、良好な 疲労強度また、低弾性率であるため、埋め込み型部品などの生物医学的用途にも使用できる。また、以下のような細かい外科手術にも有用である：

• 整形外科用ピンとスクリュー
• 整形外科用ケーブル
• リガチャー
• 外科用インプラント
• 矯正装置
• 関節置換術
• 極低温容器
• 骨固定装置

TA10（アメリカン・スタンダードGr12） グレード

チタンのTA10グレードは、その高品質な溶接性から「エクセレント」と評価されています。高温で絶大な強度を発揮する耐久性の高い合金です。TA10グレードのチタンは、ステンレス鋼の300シリーズに似た特性を持っています。

この合金は、プレス成形、ハイドロフォーミング、延伸成形、またはドロップハンマーによる熱間または冷間成形が可能である。様々な方法で成形できるため、多くの用途で有用である。また、この合金の高い耐食性は、隙間腐食を考慮する必要がある製造装置に貴重な価値を与えます。TA10グレードは、以下の産業および用途で使用できます：

• シェルと熱交換器
• 湿式冶金用途
• 高温化学製造
• 船舶・航空部品

Ti 5Al-2.5Sn

Ti 5Al-2.5Snは、良好な溶接性と安定性を提供する非熱処理合金である。また、高温安定性、高強度、良好な耐食性、良好な耐クリープ性を有する。クリープとは、高温で長時間かけて塑性ひずみが発生する現象を指す。Ti 5Al-2.5Snは、主に航空機や機体、低温用途で使用される。

最後に、新旧のチタン等級とその化学組成を海外および国内規格に従って比較したものを添付する。

3.チタンおよびチタン合金の用途

チタンとチタン合金の材料は豊富にあるが、その価格は非常に高い。これは、チタンが高温での化学的活性が低く、その製錬技術と使用環境が非常に厳しいためである。チタンは高温・真空下で製錬する必要があり、その温度は800℃を超えることもある。

そのため、鉄鋼製錬よりもはるかに難易度が高い。そのため、チタン合金と言われると、生産量が少なく価格が高い高級金属材料というイメージがあり、ほとんど使われない。

現在、軽量、高強度、耐熱性といったチタン合金の優れた特性により、チタンおよびチタン合金材料は、特に航空宇宙産業において、最先端兵器や国家の重要機器の製造に広く使用されています。ここでは、化学工業におけるチタンの応用例をご紹介します：

1.アルカリ製造業

アルカリ製造業界におけるチタン製冷却器の導入は、従来の不合理な冷却プロセスによって生成された規格外の塩素ガスの問題を効果的に解決した。また、投資されたチタン合金製クーラーの寿命は20年に達するため、クロール・アルカリ業界の様相を一変させた。

2.製塩業

現在使用されている最先端の製塩技術は、真空製塩である。このプロセスで生成される高温の濃縮ブラインは、炭素鋼構造物に深刻なダメージを与え、機器の漏れを引き起こす可能性がある。

加熱室と蒸発室にチタンとスチールの複合構造を導入することで、塩のスケーリングを効果的に防止し、塩の品質を向上させ、蒸発プロセス中の高濃度ブラインのパイプ壁への腐食の影響を低減し、メンテナンスサイクルを延長することができる。

航空宇宙産業

1.航空産業

航空分野で使用されるチタン合金は、航空機構造用チタン合金とエンジン構造用チタン合金に分けられます。航空機におけるチタン合金構造の主な用途は、着陸装置部品、フレーム、梁、胴体表皮、熱シールドなどです。ロシアのIl-76航空機は高強度BT22チタン合金をランディングギアや耐荷重ビームなどの主要部品の製造に使用しています。

ボーイング747のメイン・ランディング・ギア・クロスビームにはTi-6Al-4V材が使用されており、鍛造品の長さは6.20メートル、幅は0.95メートル、重量は1545キログラムに達します。高強度・高靭性のTi-62222Sチタン合金は、C-17飛行機の水平安定装置軸の重要な部分に使用されています。

航空機エンジンに関しては、チタン合金はコンプレッサーディスク、ブレード、ドラム、高圧コンプレッサーローター、コンプレッサーケーシングに使用されている。ボーイング747-8GENXエンジンのファンブレードの前縁と先端は、チタン合金のケーシングで保護されており、10年間の使用期間中に3回しか交換されていません。

2.宇宙船産業

宇宙船の作業環境は非常に過酷です。素材に優れた技術設計が求められるのはもちろんのこと、素材そのものの優れた特性や機能も重要であり、数ある素材の中でもチタン合金は際立っています。

宇宙機器の分野では、1960年代のアメリカのアポロ計画で、宇宙船の2人用キャビン、密閉キャビンウィングビーム、リブはすべてTi-5Al-2.5Sn製で、ライニングは純チタン製だった。

ドイツのMTエアロスペース社は、ヨーロッパ・アルファ通信衛星の巨大プラットフォームで使用される高強度Ti-15V-3Cr合金推進システム貯蔵タンクを製造した。

ロシアのチタン合金が宇宙工学に応用された例は数多くあり、例えば3.5トンの大型BT23チタン合金鍛造品がエネルギア貨物ロケットに使用されている。さらに、チタン合金は液体燃料ロケットエンジンの燃料タンク、低温液体貯蔵タンク、液体水素ポンプのインペラーにも使用されています。

同様に、国内の宇宙工学の急速な発展において、チタン合金は広く使用されている。1970年の人工衛星「東方1号」から現在の「神舟」シリーズや月探査機「嫦娥」に至るまで、チタン合金が使用されています。

さらに、中国が液体水素環境で使用するために開発した低温TA7ELIチタン合金ガスシリンダーは、長征ロケットシリーズに使用されている。ハルビン工業大学は月探査機のホイールリムにTC4チタン合金を使用している。さらに、中国はミサイルのエンジンケーシングやノズルの製造にもBT20やその他の高強度チタン合金を使用している。

3.海上アプリケーション

チタンとその合金は、原子力潜水艦、深海潜水艇、原子砕氷船、水中翼船、ホバークラフト、掃海艇のほか、プロペラ、ホイップアンテナ、海水パイプライン、コンデンサー、熱交換器、音響機器、消防機器などに広く使用されている。例えば、米国は、このような用途に使用されている。

深海潜水艇 "シークリフ "は、チタン製の観測キャビンと操縦キャビンを備え、水深6100mまで潜水可能。日本の東邦チタニウム社は、富士人造船と共同で、米国で一時期高い売上を記録したチタン製スピードボート「森支援天II」を建造した。中国初の自主設計・統合型有人潜水艇「蛟竜」もチタン合金を採用し、世界の海域の99.8%をカバーしている。

4.チタンとその合金の既存の課題と展望

チタンとその合金の開発における著しい進歩にもかかわらず、課題が残っています。これらの課題は主に3つのカテゴリーに分類される：

1) 生産面

中国はチタン産業の主要なプレーヤーだが、高品質の製品の生産量は少なく、特別な特徴を持つチタン製品は不足している。

さらに、中国はまだチタンストリップと押出チタンプロファイルを大量生産する能力を持っていません。この制限は、航空宇宙および海洋分野でのチタンおよびその合金の開発と利用を妨げている。航空エンジンにおけるチタンの使用を50%程度までさらに増やすという目標は、依然としてかなりの難題として残っている。

2) パフォーマンス面

チタンは化学的に非常に活性であるため、他の元素による汚染を受けやすい。そのため、チタン合金の加工と製造には高い精度が要求されます。

さらに、その結果得られる高性能製品は、その機械的、物理的、化学的、技術的特性の包括的評価を必要とする。耐クリープ性の大幅な低下と600℃を超える高温耐酸化性は、既存のチタン合金の用途拡大を阻む2つの大きな障害である。

3) コスト面

現在、チタン合金の応用コストを削減するための努力が世界中で行われており、かなりの進歩が達成されている。

しかし、中国の現状を見ると、国の経営と技術レベルはまだ理想的な状態に達していない。国内で生産されるチタン合金製品は国際的な価格競争力に欠け、広く使用されるには不利である。

現在、チタン合金の主な応用分野は航空宇宙産業と軍事産業分野にとどまっています。しかし、自動車、鉄道、高速鉄道、さらには日常的な民間分野など、新たな応用分野を開発する見込みはまだ大きい。

さらに、高価な合金元素をより安価な元素に置き換えることや、技術的手段によってチタン合金部品のコストを削減することは、チタン合金の今後の研究において重要な課題である。チタン合金のハイエンド用途が低コストで製造できるようになれば、様々な分野で使用されるようになるでしょう。