航空宇宙用チタン合金製締結部品の概要

締結部品は、重要な汎用基本部品として産業界において極めて重要な役割を果たしており、「産業のコメ」とも呼ばれています。

締結部品は、ボルト、ねじ、スタッド、ナット、木ねじ、タッピングねじ、ワッシャー、リベット、ピン、止め輪、リンクセット、締結部品アセンブリなど、13の主要なカテゴリーに分類されます。用途に応じて、一般用途の締結部品と航空宇宙用途の締結部品に分けられます。航空分野では、依然として機械的接合が主な接合方法であり、航空機の組立は多種多様な締結部品に依存しています。宇宙分野でも、飛行体のセクション間の接合は締結部品によって行われています。

装備の軽量化が進む中で、チタン合金材料は航空宇宙用締結部品としてますます注目されています。国際的には、チタン合金締結部品の使用は1950年代にさかのぼり、アメリカはB-52爆撃機にTi-6Al-4V合金製ボルトを初めて使用し、大幅な軽量化を実現しました。これがチタン合金締結部品の航空宇宙分野への応用の始まりとなりました。現在、アメリカやフランスなどの先進国では、チタン合金締結部品の95%以上が国際的に認められたTi-6Al-4V材料で製造されており、一部の先進機種では30CrMnSiA鋼を完全にチタン合金で代替しています。

例えば、アメリカのC-5A軍用輸送機では、チタン合金製締結部品の使用により、約4,500kgの軽量化が実現されました。民間機であるボーイング747では、鋼製締結部品をチタン製に置き換えることで、約1,814kgの軽量化が達成されました。ロシアでは、Il-76、Il-86、Il-96、Tu-204、An-72、An-124などの機種でチタン合金締結部品および合金体系が採用されており、機体重量の削減に大きく貢献しています。Il-76では、約14万2千個のチタン合金製締結部品が使用され、600kgの軽量化が実現されています。

中国におけるチタン合金締結部品の開発は1965年に始まりました。1970年代には、関連機関がチタン合金リベットおよびその応用研究を行いました。1980年代には、第2世代軍用機の一部でリベットやボルトなど少量のチタン合金締結部品が使用され始めました。1990年代後半になると、国際的な第3世代戦闘機の生産ライン導入や国産第3世代戦闘機の開発が進む中で、中国でも一部のチタン合金締結部品が使用されるようになりました。近年では、中国の航空宇宙産業の発展に伴い、各機関が締結部品用チタン合金材料の研究開発および製造技術の開発を進め、チタン合金締結部品は航空宇宙分野で大量に使用されるようになり、民間航空機でもその使用量は非常に多くなっています。資料によれば、国産C919旅客機1機あたり、約20万個のチタン合金締結部品が必要とされており、2018年に年間150機の大飛行機を生産する計画に基づけば、年間で約3,000万個のチタン合金締結部品が必要となります。

1. チタン合金製締結部品の利点

以下の表は、締結部品に使用されるチタン合金と鋼材の性能比較を示しています。チタン合金が締結部品に使用される主な利点は以下の通りです。

1. 低密度：チタン合金は鋼材に比べて密度が小さく、チタン合金製の締結部品は鋼製のものよりも軽量です。

2. 比強度が高い：チタン合金は一般的な金属材料の中で比強度（強度/密度）が非常に高い材料です。そのため、軽量なアルミニウム合金の代替としても使用可能で、同じ外部荷重条件下でもチタン合金部品は小さな寸法で設計でき、スペースの節約につながります。このような材料利用の考え方は、航空宇宙分野において非常に重要です。

3. 高融点：チタン合金は鋼材よりも融点が高いため、チタン合金製の締結部品は耐熱性に優れています。

4. 熱膨張係数および弾性係数が小さい：熱による寸法変化や変形が少なく、安定性に優れています。

5. 非磁性：チタン合金は磁化率が非常に小さく、ほぼゼロに近いため、チタン合金製の締結部品は非磁性であり、磁場の干渉を効果的に防ぐことができます。オーステナイト系ステンレス鋼も非磁性ですが、冷間加工によって磁性が増す可能性があります。一方、チタン合金は熱加工・冷加工によっても磁性が変化しないため、航空電子機器にも適用可能です。

6. 降伏比が高い：引張荷重を受ける締結部品の設計では、降伏強さが最も重要で、次に引張強さが考慮されます。締結部品が降伏変形を起こすと、締結機能を失うからです。チタン合金は鋼材に比べて降伏強さと引張強さの差が小さく、降伏比が高いため、安全性の高い設計が可能です。

7. カーボンファイバー複合材料との電位整合性が良い：チタン合金が締結部品として広く使用されている重要な理由の一つは、カーボンファイバー複合材と電極電位が近く、電食（ガルバニック腐食）を効果的に防止できる点です。

8. その他の利点：チタン合金は優れた耐食性や高いクリープ耐性も持ち合わせています。

締結部品用材料の性能比較表

2. 締結部品用チタン合金材料とその性能概要

締結部品に使用されるチタン合金材料は、その製造プロセスおよび用途と密接に関連しています。一方で、チタン合金製の締結部品の製造工程は主に以下の3つに分けられます。

1つ目は塑性加工で、ヘッディング、絞り加工、ねじ転造などが含まれます。

2つ目は表面強化処理で、たとえばボルトの座面や軸部との遷移部の強化などがあります。

3つ目は機械加工で、旋削、フライス加工、研削などが含まれます。

一方、締結部品の使用目的によって必要とされる材料の性能要件が異なるため、それに応じて適切なチタン合金を選択する必要があります。たとえばリベットは取り付け時に片側または両側をかしめる必要があるため、材料には高い塑性が求められます。

ボルトには通常、高い強度が求められ、その強度レベルは高強度鋼（例：30CrMnSiA）に匹敵します。そのため、通常は高強度チタン合金が使用されます。

これらの製造および用途の観点から、締結部品用のチタン合金は主に次の3つに分類されます：工業用純チタン（Commercially Pure Titanium）、α+β型チタン合金、およびβ型チタン合金です（表2参照）。

表2によると、工業用純チタンは主にGrade 1とGrade 2が該当します。

α+β型チタン合金にはTi-6Al-4V, Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si, Ti-662などが含まれます。

β型チタン合金は主に準安定β型合金が使用されます。これは、これらの合金のモリブデン当量が概ね10%前後であり、強化効果が優れているためです。モリブデン当量が10%未満の近β型合金は時効処理による強化が不十分であり、10%以上の安定β型合金はβ相の安定性が高すぎて分解しにくいため、強化が難しくなります。そのため、準安定β型チタン合金が最も有効な強化特性を示します。

さらに、準安定β型チタン合金は優れた冷間成形性を持ち、冷間ヘッディングが可能です。加熱装置や保護ガスなしでも加工できるため、生産効率が高く、材料の利用率も良好で、成形後の寸法精度や表面品質にも優れています。

一方、α+β型チタン合金製の締結部品は熱間ヘッディングのみが可能で、専用の加熱設備とガスが必要となり、生産効率や材料利用率が低く、加熱ムラのリスクもあります。

表2 締結部品用チタン合金材料

表3 リベット用チタン合金材料の機械的性質

※ Rm = 引張強さ、A = 伸び、Ψ = 絞り率、τ = せん断強さ

表4 ボルト用チタン合金（固溶＋時効処理）の機械的性質

※ Rm = 引張強さ、Rp0.2 = 降伏強さ、A = 伸び、Ψ = 絞り率、τ = せん断強さ

3. ファスナー用の主要なチタン合金材料

Ti-6Al-4V チタン合金

Ti-6Al-4Vは中強度の二相（α+β）チタン合金であり、最も多く研究され、広く使用されているチタン合金です。ファスナーに用いられるチタン合金の大部分はTi-6Al-4Vです。Ti-6Al-4V合金によるファスナーの製造は熱間ヘッディングに限定され、専用の加熱装置と鍛造装置が必要であり、生産効率が低く、材料の利用率も劣ります。

高強度ファスナー用途では、Ti-6Al-4Vの強度は要求を満たさず、固溶時効処理後の引張強度は最大1100MPa、せん断強度は約650MPaです。また、焼入れ性が悪く、ファスナーの断面寸法は一般に19mm以下と制限されます。Ti-6Al-4V製ファスナーには、ボルト、高ロックボルト、ブラインドリベット、スクリュー、ロックボルトリベットなどがあり、これらは中国の航空機、エンジン、搭載装置、宇宙機、衛星に広く使用されています。

Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si チタン合金

この合金は優れた総合性能を持つマルテンサイト系の（α+β）型チタン合金であり、通常はアニール（焼鈍）状態で使用されますが、熱処理によっても強化が可能です。また、優れた耐酸化性能も備えています。

Ti-3Al-5Mo-4.5V チタン合金

Ti-3Al-5Mo-4.5Vは代表的な固溶時効型の二相チタン合金です。固溶処理後は室温での延性が高く、冷間ヘッディング性に優れており、ヘッディング比は1:4に達します。冷間または熱間ヘッディングの両方に対応しており、現在はこの合金で製造されたボルト、スクリュー、セルフロックナットが存在します。

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V チタン合金

Ti-3Al-8Cr-5Mo-5Vは準安定β型チタン合金です。固溶状態では優れた冷間成形性および溶接性を持ちます。現在、衛星のコルゲートシェル、衛星-ロケット連結バンド、冷間ヘッディングリベット、ボルトなどに使用されており、とくにリベットは航空宇宙分野の主要モデルに多く採用されています。

Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al チタン合金

これは熱処理強化可能な準安定β型チタン合金です。固溶処理状態での冷間成形性に優れており、冷間ヘッディング比は2.8に達します。固溶時効後は高い強度を示し、引張強度1100MPaクラスの高強度航空宇宙用ファスナーの製造に使用されます。

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al チタン合金

Ti-15V-3Cr-3Sn-3Alは準安定β型チタン合金で、純チタンに匹敵する優れた冷間成形性能を持ちます。固溶処理後は様々なファスナーの冷間成形が可能であり、時効処理後の室温引張強度は最大1000MPaに達します。ボーイング社はこの合金製ファスナーを航空機に採用しており、中国でも戦闘機キャノピービームや衛星コルゲートパネル用の冷間リベットに用いられています。

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo チタン合金

Ti-3Al-2.7Nb-15Moは準安定β21Sチタン合金であり、優れた熱間・冷間加工性、良好な焼入れ性、クリープ耐性および耐食性を備えています。MoやNbなど、高融点かつ自己拡散係数の小さいβ安定元素を採用しているため、高温での耐酸化性に優れ、Ti-15-3合金に比べて100倍以上の耐酸化性能を持ちます。現在、この合金で作られた高強度ボルトは、中国の航空分野の主要モデルに広く使われています。

Ti-3Al-2.7Nb-15Mo と Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn の酸化比較データ

Ti-45Nb 合金

Ti-45Nbは安定β型チタン合金で、リベット専用のチタン材料です。当初、リベットには純チタンが使用されていましたが、強度が低く、高負荷部位では使用が困難でした。そのため、純チタンに近い延性を持ち、かつより高い強度を有する材料が求められました。一般的な準安定β型チタン合金は変形抵抗が大きく、室温での延性は純チタンに比べて劣ります。

この課題を解決するために開発されたのがTi-45Nb合金であり、室温での伸びは20%、断面収縮率は60%に達し、非常に優れた冷間加工性を示します。純チタンと比較して、Ti-45Nbは引張強度とせん断強度が高く、それぞれ450MPaおよび350MPaに達します。

4. 将来の発展動向

超高強度チタン合金製ファスナー

中国の航空宇宙産業の発展に伴い、新型航空機や宇宙機に使用される接合技術のレベルが向上しており、新たなタイプのファスナーに対する要求も高まっています。将来的には、引張強度が1200～1500MPa、せん断強度が750MPa以上の超高強度チタン合金製ファスナーの開発が重要な方向性の一つとなるでしょう。

耐熱チタン合金製ファスナー

現時点では、ファスナーに使用されるチタン合金の耐熱温度はそれほど高くありません（表5参照）。しかし、航空宇宙分野においては、新型航空機や宇宙機の飛行速度の向上に伴い、材料に求められる使用温度も上昇しています。そのため、耐熱性のあるチタン合金製ファスナーも今後の重要な開発トレンドとなっています。特に宇宙分野では、新型高温チタン合金が600～800℃の短時間使用に耐えられることが求められます。

通常、Ti₂AlNb合金が従来の重い高温合金の代替として使用されますが、変形量が大きく、他のチタン合金の代替としてもまだ重量が重く、軽量化の要件を満たしません。また、Ti-Al系金属間化合物は加工性が悪く、技術的に成熟していないため、今後のファスナー用高温チタン合金は、近α型または高Al当量のα+β型チタン合金が主流となると考えられます。

高温環境下でチタン合金の強度およびクリープ耐性を向上させるためには、Al（アルミニウム）、Sn（スズ）、Zr（ジルコニウム）による固溶強化が基本です。ただし、Al当量の制限により、これらの元素の添加量には上限があります。したがって、Al、Sn、Zrの含有量を適切に制御した上で、多元素合金化によってさらなる強化を図るのが設計の方向性です。

β安定化元素であるMo（モリブデン）は、高温での強度およびクリープ耐性を向上させる効果があります。Nb（ニオブ）、Cr（クロム）、V（バナジウム）にも同様の効果が認められます。さらに、少量のβ安定化元素を添加することで、合金の脆化を抑制することができます。

また、チタン合金におけるSi（ケイ素）の含有量も重要なパラメータです。質量分率で約0.2%のSiを添加すると、楕円形のシリサイドがα相の境界部に不均一かつ非連続的に析出し、転位の移動を妨げることで分散強化効果を発揮し、合金のクリープ耐性を大幅に向上させることができます。

しかし、シリサイドの析出は合金組織の熱安定性に悪影響を及ぼすこともあり、合金の延性を低下させ、Ti₃Al相の生成を促進する可能性があります。そのため、Siの含有量は一般に質量分率0.5%以下に抑える必要があります。

したがって、多元素による複合強化は、今後の高温用チタン合金材料設計における重要な方向性であるといえます。

表6：一般的なファスナー用チタン合金の使用温度