チタンおよびチタン合金の過去・現在・未来
1. 金属チタンの供給源
金属チタンは、1791 年にイギリスのグレゴールというアマチュア鉱物学者によって初めて発見されました。1795 年までに、ドイツの化学者クラプルスは、この未知の金属物質をギリシャの神タイタンにちなんで命名しました。 「チタン」を中国語から英語に翻訳したもの。チタンは地球上に豊富に存在します。既知のチタン鉱物は 140 以上ありますが、工業的に利用されているのは主にイルメナイトとルチルです。そのうち、中国のイルメナイト埋蔵量は世界の埋蔵量の28％を占め、世界第1位となっている。
チタンは無毒な元素として世界的に認められていますが、その採掘・生産コストは高く高価です。高温・低温耐性、強酸・アルカリ耐性、高強度、低密度などの一連の性能により、NASAの同ロケットや人工衛星の特殊素材となり、次のようなスーパープロジェクトでも使用されています。私の国のYutu、J-20、そして山東空母。 1980年代に民間分野に参入して以来、天然の抗菌性と生体親和性の特性により、食品器具業界の「名誉金属王」になりました。
私の国のチタン産業は1950年代に始まりました。 -1960 年代中期までに、我が国は淳義と宝鶏にそれぞれスポンジチタンとチタン加工工場を建設しました。これは、中国が世界のチタン産業大国の一つになったことを意味します。 21世紀に入り、我が国のチタン産業は新たな加速発展期に入り、チタンの生産能力は世界トップクラスに位置しています。
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ってグレード分けされます。優れたプレス加工性能と溶接性能を備え、熱処理や構造タイプの影響を受けず、満足のいく塑性条件下で一定の強度を備えています。その強度は主に、格子間元素の酸素と窒素の含有量に依存します。 99.5%工業用純チタンの特性は、密度 P=4.5g/cm3、融点 1800 度、熱伝導率 λ=15.24W/(MK)、引張強さ σ b{{8} }MPa、伸び: δ=25%、断面減少率 ψ=25%、弾性率E=1.078×105MPa、硬度HB195。
チタン合金：
チタン合金は、チタンと他の元素から構成される合金です。比較的若い金属で、発見されてからまだ60～70年しか歴史がありません。チタン合金材料は、軽量、高強度、低弾性、耐高温性、耐食性などの特徴を持ち、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ています。チタンには 2 種類の同素体結晶があります。チタンは融点が 1720 度の異性体で、融点が 882 度より低い場合はチタンと呼ばれる最密六方晶格子構造になります。 882度を超えると体心構造になります。Bチタンと呼ばれる立方格子構造は、チタンの上記2つの構造の異なる特性を利用し、適切な合金元素を添加して相転移温度と相含有量を徐々に変化させてチタン合金を取得します。 (チタン合金) 異なる構造を持っています。
チタン合金元素は、相転移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 a 相を安定化し、相転移温度を上昇させる元素は、アルミニウム、マグネシウム、酸素、窒素などの安定な元素です。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、室温および高温での合金の強度の向上、比重の軽減、弾性率の増加に明らかな効果があります。 ② B 相を安定化し、相転移温度を下げる元素が B 安定元素です。また、等結晶と共析に分けることもできます。前者にはモリブデン、ニオブ、バナジウムなどが含まれます。後者には、クロム、マンガン、銅、シリコンなどが含まれます。 ③ 相転移温度にほとんど影響を与えない元素は、ジルコニウムや錫などの中性元素です。
TA1 (アメリカ規格 Gr1)
TA1 (Gr1) チタンは、商業的に使用されている 4 つの純チタン グレードのうちの最初のものです。これらのグレードの中で最も柔らかく、最も展性が高いグレードです。最大限の成形性、優れた耐食性、高い衝撃靭性を備えています。グレード TA1 は、成形の容易さを必要とするあらゆる用途に最適な材料であり、チタン シートおよびチタン チューブとして一般的に入手可能です。
TA2 (米国規格 Gr2) グレード
TA2 グレードのチタンは、その多様な入手可能性と広範な入手可能性により、商業用純チタン業界の「主力製品」として知られています。 TA1 グレードのチタンと同じ品質を多く備えていますが、わずかに強度が高くなります。どちらも耐腐食性は同等です。この材種は溶接性、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 ロッドとプレートは、建設、発電、医療産業などの多くの用途で第一の選択肢となります。
TA3 (米国規格 Gr3) グレード
このグレードには少なくとも商業用の純チタングレードが使用されていますが、だからといって価値が下がるわけではありません。グレード TA3 は、グレード TA1 および TA2 よりも強度が高く、同様の延性とわずかな成形性を備えていますが、前任者よりも高い機械的特性を備えています。グレード TA3 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が必要な用途に使用されます。
TA4 (米国規格 Gr4) グレード
TA4 グレードは、市販されている 4 つの純チタンの中で最も強度が高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。これは、一部の機体コンポーネント、極低温容器、熱交換器、および高解像度を必要とするその他のアプリケーションで使用されます。
TA9 (米国規格 Gr7) グレード
グレード TA9 は、合金にするために格子間元素パラジウムが添加されている点を除き、グレード TA2 と機械的および物理的に同等です。グレード 7 は優れた溶接性と特性を持ち、すべてのチタン合金の中で最も耐食性があります。実際、還元酸の中で最も耐食性が高いのです。グレード TA9 は、化学プロセスおよび生産装置のコンポーネントに使用されます。 TA9 は、特に還元酸環境において非常に強い耐食性を持っています。
TA9-1 (アメリカ規格 Gr11) グレード
グレード TA9-1 はグレード TA1 と非常に似ていますが、耐食性を高めるために少量のパラジウムが添加されて合金になっている点が異なります。この耐食性を利用して、隙間腐食を防止し、塩化物環境での酸を減らすことができます。その他の有用な特性には、最適な延性、冷間成形性、有用な強度、衝撃靱性、および優れた溶接性が含まれます。この合金は、グレード 1 と同じチタン用途、特に腐食が必要な場合に使用できます。
Ti 6Al-4V (国家規格 TC4、米国規格 Gr5、など)
グレード5チタンシート, グレード5チタンプレート, グレード 5 チタンバー)
チタン合金の「主力製品」として知られているのは、Ti 6Al-4V またはグレード 5 チタンで、すべてのチタン合金の中で最も一般的に使用されています。世界のチタン総消費量の50％を占めます。その使いやすさには多くの利点があります。 Ti 6Al-4V は熱処理して強度を高めることができます。最高 600 度 F の使用温度で溶接構造に使用できます。この合金は、軽量でありながら高強度、有用な成形性、および高い耐食性を備えています。 Ti 6AI-4V は入手しやすいため、航空宇宙、医療、海洋、化学処理産業などのさまざまな産業での使用に最適な合金となっています。これは、次の技術コンテンツの作成に使用できます。
• 航空機タービン
• エンジンコンポーネント
• 航空機の構造部品
• 航空宇宙用ファスナー
・高性能自動部品
• 海洋用途
• スポーツ用品
Ti-6AL-4V ELI チタン棒（国家規格 TC4ELI、米国規格 Gr23）グレード
Ti 6AL-4V ELI または TC4ELI グレードは、Ti 6Al-4V の高純度形態です。コイル、撚り線、ワイヤー、平角線などに加工することができます。高強度、軽量、優れた耐食性、高い靱性が要求される場合に第一の選択肢となります。他の合金に対する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ります。生体適合性、良好な疲労強度、低弾性率により、移植可能なコンポーネントなどの生物医学用途に使用できます。次のような詳細な外科手術にも使用できます。
• 整形外科用ピンとネジ
• 整形外科用ケーブル
• リガチャークリップ
• 外科的移植
• 歯科矯正器具
• 関節置換術中
• 極低温コンテナ
• 骨固定装置
TA10 (米国規格 Gr12) グレード
TA10グレードのチタンは、溶接性が高く「Excellent」グレードです。高温下でも優れた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、300 シリーズのステンレス鋼と同様の特性を持っています。合金は、プレス成形、ハイドロフォーミング、ストレッチフォーミング、またはドロップウェイトを使用して熱間または冷間成形できます。さまざまな方法で形成できるため、多くの用途に役立ちます。この合金は耐食性が高いため、隙間腐食が懸念される製造装置にとっても非常に貴重です。グレード TA10 は、次の業界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
• 高温化学品の製造
• 海上貨物および航空会社のコンポーネント
Ti 5Al-2.5Sn
Ti 5Al-2.5Sn は非熱処理合金であり、良好な溶接性と安定性が得られます。また、高温安定性、高強度、良好な耐食性、耐クリープ性も備えています。クリープとは、高温下で長時間にわたって塑性ひずみが生じる現象を指します。 Ti 5Al-2.5Sn は主に航空機や機体の用途、極低温用途で使用されます。
