概要 チタンアルミナイド粉
チタンアルミナイド粉末は、チタンとアルミニウムから作られる高度なエンジニアリング材料である。高強度、低密度、高温に耐えるという優れた組み合わせにより、近年大きな注目を集めている。
チタンアルミナイド粉末に関するいくつかの重要な詳細：
- 組成：チタンにアルミニウム、ニオブやモリブデンなどの合金元素を加えたもの。
- 製造方法ガスアトマイズ、プラズマ回転電極法（PREP）、メカニカルアロイング
- 粒子サイズ通常10ミクロンから150ミクロン
- 一般的な相γ(ガンマ)およびα2(アルファ2)チタンアルミナイド金属間化合物相
- 密度3.7～4.25g/cm3、チタンやスチール合金よりはるかに低い
- 融点1,250℃以上
チタンアルミナイドは、航空宇宙部品のような軽量で高温の用途において、従来のチタン合金よりも優れた特性を発揮します。しかし、室温での延性や破壊靭性が低いといった課題もある。現在進行中の研究は、商業的利用を拡大するために、加工方法と合金添加を最適化することを目的としている。
構成
チタンアルミナイド合金の主成分は、チタン、アルミニウム、その他の合金元素である：
| エレメント | 重量 % |
|---|---|
| チタン（Ti） | 50 – 80% |
| アルミニウム（Al） | 10 – 25% |
| ニオブ | 0 – 10% |
| モリブデン (Mo) | 0 – 5% |
| クロム（Cr）、バナジウム（V） | 各最大1% |
存在する主な金属間化合物は以下の通り：
- γ-チタンアルミナイド（γ-TiAl）： 面心正方晶の結晶構造で、チタンとアルミニウムの秩序相の組み合わせ。高温用途に適している。
- α-2チタンアルミナイド（α2-Ti3Al）： 六方晶の結晶構造で、チタンとアルミニウムの秩序相。室温での延性は高いが、高温での強度は低い。
γ-TiAl、α2-Ti3Al、およびその他の相の比率を最適化することにより、特定のニーズに合わせて特性を調整することができる。
生産方法
チタンアルミナイド粉 は高度な粉末冶金プロセスで製造できる：
| 方法 | 説明 | 粒子径 | メリット |
|---|---|---|---|
| ガス噴霧 | ガスジェットによる溶融合金流のブレークアップ | 10 - 150 μm | 高い粉末収率、幅広いサイズ |
| プラズマ回転電極プロセス（PREP） | 回転溶融電極の遠心分解 | 45 - 150 μm | 粉体のサイズと品質の管理 |
| 機械的合金化 | 冷間溶接の繰り返しと粉体粒子の破砕 | 10 - 100 μm | 合金の柔軟性、複合粉末 |
ガスアトマイズは、加圧ガスジェットをメルトストリームに向けて使用し、急速に凝固した球状粉末を生成する。プラズマPREPは、プラズマトーチによって溶融され、遠心力によって分解される電極を利用する。メカニカルアロイングは溶融はしませんが、メカノケミストリーにより複合粒子を生成します。それぞれがチタンアルミナイド製造においてユニークな利点を持っています。
プロパティ
チタンアルミナイドは、有用な機械的特性と物理的特性の希少なバランスを提供します：
| プロパティ | 詳細 | |
|---|---|---|
| 強さ | 引張強さ | 500 - 1100 MPa |
| 0.2% 降伏強さ | 400 - 900 MPa | |
| 密度 | 比重 | 3.7 - 4.25 g/cm3 |
| サーマル | 融点 | 1250℃以上 |
| 熱膨張係数 | 11 - 13 x 10-6 K-1 | |
| 延性 | 室温での伸び | 0.5 – 2% |
高強度、低密度、600℃以上での強度保持の組み合わせにより、チタンアルミナイドはニッケル合金や鋼に取って代わる非常に魅力的な材料となっている。しかし、低い延性、耐破壊性、疲労強度などの問題への対処が必要である。
アプリケーション
優れた強度対重量比と耐熱性により、いくつかの潜在的な用途が可能になる：
| 産業 | コンポーネント | メリット |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、ディスク、シャフト | 軽量化、推力向上 |
| 自動車 | ターボチャージャーホイール、バルブ | 高出力、低燃費 |
| インダストリアル | ラジアルコンプレッサーホイール、ブレード | 軽量化、長寿命化 |
チタンアルミナイドは、タービンブレードやコンプレッサーホイールのような高温回転部品において、ニッケル超合金よりも大幅な軽量化を実現すると同時に、同等以上の部品寿命を提供します。
この材料で作られた自動車用ターボチャージャーのホイールは、軽量化により、より高い回転速度とブースト圧に達することができる。また、石油・ガス産業の産業用ラジアルフローコンプレッサーやタービンでの使用も増えています。
仕様
商業用途のチタンアルミナイド製品は、確立された基準を満たす必要がある：
| 属性 | 詳細 |
|---|---|
| パウダーサイズ | 10 μm～150 μm |
| 粒度分布 | D10：20μm、D50：45μm、D90：105μm（代表値） |
| 粉体グレード | グレード 5 (Ti-47Al-2W-0.5Si), グレード 23 (Ti-47Al-3.5(Nb,Mn,Cr)-0.2Si) |
| 規格 | ASMB863、AMS4999 |
| 完成部品規格 | AMS4928、4967、4979 |
標準化された試験方法によって、様々なチタンアルミナイド合金から作られた粉末ロットと完成部品間の信頼できる評価と比較が可能になります。部品は、フライトハードウェアに使用されるために確立されたAMS等級を通して航空宇宙レベルの認定を得ることができます。
サプライヤーと価格
多くの粉末専門メーカーが、積層造形や合金開発のためにチタンアルミナイドを提供しています：
| ブランド | メーカー | 粉体コスト（USD/kg） |
|---|---|---|
| CronalTM TiAl | GfE Metalle und Materialien GmbH | 500 |
| アンプ 48-2-2 | ATI粉末冶金 | 460 |
| Ti-48Al-2Nb-2Cr | カーペンター・テクノロジー | 510 |
| Ti-47Al-2W-0.5Si | プラクセア | 450 |
| Ti-Al6-Nb7 | TLSテクニック社 | 600 |
粉末の量が少ないため、キログラムあたりのコストは従来のチタン合金と比較してまだ非常に高い。しかしながら、積層造形用に最適化された特殊グレードは、商業的な採用を増加させている。
比較
チタンアルミナイドは、競合する高温合金と比較して、大きな利点を示すが、いくつかの欠点もある：
| チタンアルミナイド | ニッケル合金 | チタン合金 | |
|---|---|---|---|
| 密度 | より低い | より高い | 比較可能 |
| 600℃以上での強度 | より高い | より低い | より低い |
| 室温での延性 | より低い | より高い | より高い |
| コスト | より高い | より低い | 比較可能 |
ニッケル超合金は、常温での特性はそこそこ保たれるが、高温ではかなり弱くなる。従来のチタン合金は600℃以下が限界です。チタンアルミナイドはユニークなことに800℃まで強度を失わない。欠点と利点の組み合わせを最適化することで、航空宇宙分野での的を絞った用途につながります。
長所と短所
チタンアルミナイドには、ある種の永続的な限界とともに、説得力のある利点がある：
メリット
- ニッケル合金より最大35%低い密度
- 600℃以上での強度と弾性率の保持
- 高温クリープ抵抗
- チタン製造との適合性
- コンポジットよりも軽量
デメリット
- 脆い挙動と低い延性
- 低い破壊靭性
- 疲労亀裂への感受性
- 加入の難しさ
- 750℃以上の急速な空気酸化
- チタン合金より高価
着実な材料開発は、耐環境性を向上させながら、許容できる特性の温度範囲を広げ始めている。また、民間航空宇宙エンジンでの使用拡大に伴い、コストも徐々に低下している。
よくあるご質問
| 質問 | 回答 |
|---|---|
| アルミナ化チタンは、鉄やチタンと比べてどれくらい重いのですか？ | 密度は3.7～4.25 g/cm。3チタンアルミナイドはニッケル合金より35%軽く、鋼鉄より40%以上軽く、強度は同等かそれ以上です。 |
| で3Dプリントできるか？ チタンアルミナ粉？ | はい、チタンアルミナイド合金は、鋳造品や錬成品よりも特性の最適化を柔軟に行うことができる粉末溶融法や指向性エネルギー堆積法積層造形法に非常に適しています。 |
| アルミナ化チタンは何に使われるのですか？ | チタンアルミナイドは、ニッケル合金に比べて密度が低く、優れた高温特性を持つため、航空宇宙、自動車、産業用途のタービンブレード、ターボチャージャーホイール、コンプレッサー部品などの代替部品に適しています。 |
| アルミナ化チタンは脆いのですか？ | 他の軽量合金とは異なり、チタンアルミナイドは金属間化合物であるため本質的に脆く、特に疲労荷重下での早期亀裂や破壊を避けるためには、慎重な設計と使用上の配慮が必要です。 |
| アルミナ化チタンの強度は？ | 最適な加工条件下では、チタンアルミナイドは室温と高温の両方で1,100MPaを超える引張強度と1,000MPaに迫る降伏強度を達成することができ、最も強い軽量金属材料の選択肢となります。 |
結論
低密度、高温強度・弾性率の保持、耐高温クリープ性、疲労挙動、耐酸化性といった稀有な特性を併せ持つγ-TiAl系チタンアルミナイドは、ユニークな材料技術のニッチを満たしている。
延性と常温破壊靭性を向上させるための努力が続けられているにもかかわらず、金属間化合物の本質的なもろさは、より広範な採用を制限し続けている。用途としては、耐環境性の制限に対処できる限り、より重いニッケル合金の代替に重点を置いている。
粉末冶金製造と積層造形のような精密なコンソリデーションを組み合わせることで、強度、耐損傷性、高サイクル疲労挙動など、使用可能な機械的特性の範囲が広がっている。これは、商業化における以前の障壁を克服するのに役立ちます。
合金添加、積層造形のような新しい加工方法、熱機械的処理に関する研究は、この高度な軽量合金ファミリーの可能性を最大限に引き出すことを目指している。現在、ガスタービンや自動車エンジン部品の代替を目標に、早期採用が進んでいる。
