チタンおよびチタン合金の新しいプロセス、技術、および応用

1. 強度が高い。チタン合金は、引張強さが 686 - 1176 MPa と非常に高い強度を持っていますが、その密度は鋼の約 60% にすぎないため、比強度は非常に高くなります。

2.高硬度。チタン合金（焼きなまし状態）の硬さはHRC32 - 38.です

3. 弾性率が低い。チタン合金（焼きなまし状態）の弾性率は1.078×10～1.176×10MPaであり、鋼やステンレス鋼の約半分です。

4. 優れた高温および低温性能。チタン合金は高温でも良好な機械的特性を維持でき、耐熱性はアルミニウム合金よりもはるかに高く、使用温度範囲が広いです。現在、新しい耐熱チタン合金の使用温度は 550 - 600 度に達することがあります。-チタン合金は室温よりも低温では強度が増加し、優れた靭性を持ちます。低温チタン合金は、-253 度でも良好な靭性を維持できます。

5. チタンの強い耐食性。チタンは、空気中で550度以下の温度で表面に薄くて緻密な酸化チタン皮膜を素早く形成するため、大気、海水、硝酸、硫酸などの酸化媒体や強アルカリに対する耐食性は、ほとんどのステンレス鋼よりも優れています。

2.1 チタンの製造方法
チタンは自然界に比較的豊富に存在しますが、分散して存在し、採取が難しいため希少金属です。現在、チタンの製造は、加熱還元法と溶融塩電解法の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。

(1) チタンを製造するための熱還元法：熱還元法では、Li、Na、Mg、Ca およびそれらの水素化物などの強力な還元剤を使用して、一定の温度でチタンを TiCl4、TiO2、K2TiF6 などの化合物から還元します。さまざまなチタン化合物に応じて、チタンを製造するための熱還元法は 3 つのカテゴリに分類できます。

① クロール法、ハンター法、アームストロング法、EMR 法などの塩化チタンの酸化還元法。{0}

② OS 法、PRP 法、MHR 法などの酸化チタンの酸化還元法。{0}

③チタン酸塩の酸化-還元法。現在、工業生産への適用に成功しているのは、クロール法とハンター法だけである。クロールプロセスでは金属マグネシウムを使用して塩化物からチタンを置き換えますが、ハンタープロセスでは金属ナトリウムを使用します。さらに、米国シカゴの International Titanium Powder Company が開発した Armstrong プロセスは、Hunter プロセスに似ており、金属チタンを精製するための還元剤としてナトリウムを使用します。米国は、この方法を使用して工場での試作を開始し始めています。{5}

(2) チタン製造のための溶融塩電解法：クロールは 1959 年に、溶融塩電解法が 5 ～ 10 年以内にクロール法に代わってチタン製造の主流となると予測しました。長年にわたり、国内外の研究機関や研究所は、溶融塩電解によってチタンを製造するための十数種類の新しい技術を開発してきました。これらは原材料に基づいて次の 3 つのカテゴリに分類できます。

①チタン酸塩の電気分解。

② 塩化チタンの電気分解。

③ 酸化チタンの電解（FFC Cambridge 法、MER 法、USTB 法、QIT 法、SOM 法、イオン液体電解など）

2.2 チタンの新たな用途
1940年代以降、チタンの用途は急速に発展し、航空機、ロケット、ミサイル、人工衛星、宇宙船、船舶、軍事産業、医療分野、石油化学産業などに広く応用されてきました。最新の研究では、人体には一定量のチタンが含まれており、チタンは食細胞を刺激し、免疫機能を高める効果があることが判明しました。したがって、多くの研究室がバイオ-チタンの開発と応用に専念しています。

3.1 チタン合金の作製方法

チタン合金の従来の加工には、一般的に溶解および鋳造技術が採用されています。最新の加工技術は次のように分類されます。

(1) ニア-ネット-形状形成技術。

(2) ワイヤ摩擦圧接技術。

(3) 超塑性成形技術。

(4) 材料の準備と加工のためのコンピュータシミュレーション技術。ニア-ネット-形状成形技術には、レーザー成形、精密鋳造、精密金型鍛造、粉末冶金、スプレー成形などが含まれます。粉末冶金は、チタン粉末またはチタン合金粉末を原料として使用し、その後成形および焼結してチタン部品を製造する新しいプロセスです。まず、通常はメカニカルアロイングによって粉末が製造されます。ボールミルを使用して原材料に強い衝撃を与え、粉砕し、撹拌します。次に、成形された合金粉末を静水圧プレスと冷間プレスという 2 つのプレス方法でプレスして成形します。このステップの目的は、特定の密度と強度を備えた特定の形状とサイズのプレスブランクを得ることです。次に、成形されたブランクに放電プラズマ焼結を施し、上下の金型パンチと通電電極を介して焼結粉末に所定の焼結電力とプレス圧力を加えます。このプロセスは、放電活性化、熱間塑性変形、冷却を通じて完了し、高性能のチタン材料が得られます。-続いて、プラズマ焼結後のチタン合金は、通常は熱処理または塑性加工などのさらなる処理を受けます。

3.2 チタン合金の新たな用途

チタン合金は当初、主に航空機エンジンや空気圧部品の製造に航空宇宙分野で広く使用されていました。その後、技術の継続的な発展により、チタン合金は一般の人々の生活に入り込み、工場や家庭用電化製品に使用されるようになりました。現在、各国や機関は低コストで高性能の新しいチタン合金の開発に競い合っています。最近のチタン合金の開発は主に次の 5 つの側面に焦点を当てています。

(1) 医療用チタン合金

チタン合金は密度が低く生体適合性に優れているため、人体への移植も可能な理想的な医療材料です。従来、医療分野で使用されていたチタン合金にはバナジウムやアルミニウムが含まれており、人体に害を及ぼす可能性がありました。しかし最近、日本の学者らが生体適合性に優れた新しいタイプのチタン合金を開発しました。この合金はまだ大量生産されていませんが、近い将来、このような高品質の合金が日常生活で広く使用されるようになるだろうと考えられています。-

(2) 難燃性チタン合金-

特定の圧力、温度、空気流量下で燃焼に耐えることができるチタン-ベースの合金は、難燃性チタン合金です。-米国、ロシア、中国は相次いで新しい難燃性チタン合金を開発しました。-米国は、これらの難燃性チタン合金をエンジンに適用しました。-これらは燃焼の影響を受けにくく、エンジンの安定性を大幅に向上させることができるからです。

(3) 高強度、高靭性-型のチタン合金-

- タイプのチタン合金は、高強度、良好な溶接性、優れた冷間および熱間加工特性を備えています。研究者らはこの特性を利用して、優れた熱間加工性能、優れた可塑性、優れた溶接性といった独特の特性を備えた-タイプのチタン合金を開発しました。さらに、溶体化処理と時効処理の後、機械的特性は大幅に向上します。現在、日本とロシアの両国がこのようなチタン合金を開発している。

(4) チタン-アルミニウム化合物

一般的なチタン合金と比較して、チタン-アルミニウム化合物は優れた高温性能、優れた耐酸化性と耐クリープ性を備え、一般的なチタン合金よりも密度が低いです。-これらの優れた特性は、チタン-アルミニウム化合物が新たな合金トレンドを引き起こすことを示しています。現在、米国はこの新しいチタン-アルミニウム複合合金を合成し、量産段階にある。

(5) 高温-チタン合金

繊維または粒子で強化された複合材料を使用し、急冷凝固法と粉末冶金を組み合わせて製造されたチタン合金は、優れた高温機械的特性を備えています。{0}{1}高温チタン合金の使用温度限界は、通常のチタン合金の使用温度限界よりもはるかに高くなります。現在、米国は新しい高温チタン合金を開発しています。- (6) チタン-ニッケル合金は、チタンとニッケルからなる合金で、「形状記憶合金」として知られています。この合金を所定の形状に加工し、整形処理を施すと、外力により変形しても、わずかに加熱するだけで元の外観に戻ります。{10}}この合金は、計器、メーター、電子機器などのさまざまな分野で使用できます。