チタン合金粉末の概要
チタン合金は、その高い強度対重量比、耐食性、生体適合性、過酷な環境に耐える能力により、航空宇宙、医療、海洋、その他要求の厳しい用途で広く使用されています。
粉末冶金と積層造形において、 チタン合金粉末 は、層ごとに選択的に溶融または焼結することができ、従来から加工されている溶融合金に匹敵するか、それを上回る優れた機械的特性を持つ複雑で軽量な部品を製造することができる。
粉末で入手可能な一般的なチタン合金は以下の通りです：
チタン合金粉末の組成
粉末冶金で使用されるチタン合金は、主にチタンを含み、アルミニウム、バナジウム、鉄、モリブデンなどの合金元素を含む：
| 合金 | 構成 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V (グレード 5) | 6%アルミニウム、4%バナジウム、0.25%（最大）鉄、0.2%（最大）酸素、バランスチタン |
| Ti-6Al-7Nb | 6%アルミニウム、7%ニオブ、バランスチタン |
| Ti-555 (Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe) | 5%アルミニウム、5%モリブデン、5%バナジウム、3%クロム、0.5%鉄、バランスチタン |
| Ti-1023 (Ti-10V-2Fe-3Al) | 10%バナジウム、2%鉄、3%アルミニウム、バランスチタン |
チタン合金粉末の特性
チタン合金粉末の主な特徴は以下の通りである：
| プロパティ | 意義 |
|---|---|
| 粒度分布 | 密度、精度、表面仕上げに影響する。 |
| 球形度と形状 | 高い球状形態により、流動性、充填密度が向上 |
| 純度 | >99.5%、機械的特性を達成するために重要な低酸素 |
| 流量 | >25 s/50 g以上；再コーティングと層の均一性に影響する |
| 見かけ密度 | >2.5 g/cc以上；最終部品の密度に関係する |
| ハウスナー比 | <1.25; 粉体の流動性を示す |
チタン合金粉末の用途
チタン合金粉末を使った積層造形は、さまざまな産業に及んでいる：
| 産業 | アプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | 高温にさらされる機体構造部品、エンジン部品 |
| メディカル | 整形外科用および歯科用インプラント、補綴物、手術器具 |
| 自動車 | コンロッド、ターボチャージャーホイール、バルブ、バルブスプリング |
| ケミカル | 熱交換器、バルブ、パイプ、反応容器 |
| 石油 | 腐食性高圧環境用ダウンホールツール |
チタン合金粉末の仕様
チタン合金粉末の組成、不純物、汚染に関する主要規格：
| スタンダード | パウダーグレード |
|---|---|
| ASTM B348 | グレード1～グレード48の展伸チタン合金 |
| ASTM F67 | 外科インプラント用非合金、α-βおよびβチタン |
| ASTM F2924 | 積層造形用Ti-6Al-4V |
| ASTM F3001 | AM用Ti-6Al-4V ELI (extra low interstitial) |
チタン合金粉末のサプライヤー
チタン合金粉末は、世界的に多くの老舗企業が製造している：
| 会社概要 | 対象学年 | 価格 |
|---|---|---|
| エーピーアンドシー | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | $350〜$500/kg |
| TLSテクニーク | Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | 1kgあたり$250-$450 |
| テクナ | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, カスタム合金 | $400〜$600/kg |
| 金属分析 | Ti-6Al-4V、Ti-6Al-4V ELI、Ti-64、カスタム合金 | $300〜$450/kg |
チタン合金粉末の比較
最も一般的なチタン合金Ti-64とTi-64 ELIの主な違い：
| パラメータ | Ti-6Al-4V (Ti-64) | Ti-6Al-4V ELI |
|---|---|---|
| 酸素レベル | 最大0.20 wt% | 0.13以下 wt% |
| 鉄レベル | 最大0.30 wt% | 0.25以下 wt% |
| 機械的強度 | 高い | ミディアム |
| 延性 | ミディアム | 非常に高い |
| 耐疲労性 | ミディアム | 非常に高い |
| 破壊靭性 | ミディアム | 高い |
| kgあたりのコスト | より低い | より高い |
チタン合金粉末による積層造形の利点
チタン合金粉末を原料とするAMプロセスが提供する主な利点：
- 軽量でカスタマイズされたトポロジー最適化形状の製造能力
- 減法法に比べ、原材料の無駄を大幅に削減
- 高価な工具、金型、機械加工のセットアップを必要としない
- 部品は、鋳造や鍛造と同等以上の耐疲労性と破壊靭性を示す。
- 航空宇宙部品の設計に理想的な高い強度対重量比
- 傾斜組成と高度な合金ブレンドは、簡単に調整することができます。
- ジャスト・イン・タイムの製造が可能で、最小注文数量が少ない
チタン合金粉末を用いた積層造形の課題
産業界全体でチタンAMを採用するためには、いくつかの制限を考慮する必要がある：
- エネルギー集約的な抽出と粉体処理による高い材料コスト
- 残留応力を除去し、建設後の歪みやひび割れを防ぐ。
- 重要な公差を達成するためには、追加のHIP加工と仕上げ加工が必要になることが多い。
- 反応性粉体の取り扱いには保護雰囲気と手順が必要
- 収縮を正確に予測することは困難であるため、設計上の補正が不可欠である。
- 異方性を抑えるために必要な熱パラメータとスキャン戦略の最適化
よくあるご質問
Q: AMで最も広く使われているチタン合金粉末はどれですか？
A: Ti-6Al-4V (グレード5)は、引張強度、疲労寿命、耐食性などの優れた機械的特性により、チタンアディティブ製造全体の50%以上を占めています。Ti-6Al-4V ELIは、優れた延性と破壊靭性でも人気があります。
Q: チタン合金を使った積層造形では、多孔質部品や緻密な部品ができるのですか？
A: 加工パラメーターにより、どちらも達成可能です。バルク合金と同等の特性を与える99%以上の高密度が構造用途に好まれる一方で、30-70%の間の制御された空隙率により、整形外科用インプラントは組織の内部成長を促進し、ソリッドメタルよりも優れたオッセオインテグレーションを実現します。
Q: AMにおけるチタン合金粉末の最適な粒度分布は？
A: 20-63ミクロン程度が一般的で、理想的な最小粒子径は15ミクロン以上です。30ミクロン以下の微細なパウダーは解像度と表面仕上げを向上させますが、極端に微細な粒子はパウダーの流動性を損ない、印刷時の再コーティング不良や密度の問題を引き起こす可能性があります。
Q: アディティブ・マニュファクチャリングの後、未使用のチタン合金粉末はどのように再利用されるのですか？
A: 分級機を通して、サイズと形状の仕様に合った使用可能なフラクションをふるいにかけます。これらはバルクの化学的性質を維持したまま、新鮮な粉末と制御された比率で混合されます。このように何度も再利用することで、チタンパウダーは最適な球形と流動性を得ることができ、造形時に優れた層の均一性を得ることができます。
Q: なぜチタン合金の印刷では、ビルドチャンバーに不活性アルゴン雰囲気が必要なのですか？
A: チタンは高温では反応性が高く、酸素、窒素、水素などのガスを容易に吸収し、脆化や機械的性質の劣化を引き起こします。酸素濃度を25ppm以下に保つことを推奨します。不活性ガス環境は、積層造形中の高純度チタン合金の汚染を防ぎます。
Q:付加製造されたチタン部品にはどのような後処理が施されるのですか？
A: NaOHまたはHCl浴を用いた支持体除去、応力緩和熱処 理、HIP、仕上げ加工は日常的に行われている。その他の高度な技術としては、表面のテクスチャー加工、インプラントのコラーゲンマイクロパターニング、ショットピーニングによる硬化、表面陽極酸化、溶射やレーザークラッディングによる生体活性コーティングなどがあります。
Q: チタン合金粉末を安全に取り扱うためのベストプラクティスのガイドラインを教えてください。
A: 本質的に安全な電気機器の使用、アースによる静電気の蓄積の最小化、元の不活性容器での保管、大気暴露の回避が重要です。取り扱いの際には、マスクと保護衣が必要である。反応性粉末火災に備え、グラファイト粉末のような特殊な媒体には消火具を着用する必要がある。
