Ti6Al4Vチタン合金の研究開発と応用

Ti6Al4V合金は1954年に初めて成功裏に開発された等軸マルテンサイト型の二相合金であり、現在では世界中で一般的に使用されているチタン合金となっています。この合金は航空機部品に広く使用されており、その疲労特性は常に注目の的となっています。

Ti6Al4V合金は精錬度の違いにより、通常のTi6Al4VとTi6Al4V（ELI）に分類されます。化学組成は表1に示されており、測定された機械的特性は以下のとおりです。引張強度（σb）896 MPa、降伏強度（σs）869 MPa、弾性率（E）110 GPa、せん断弾性率（G）42.7 GPa、密度（ρ）4.43 g/cm³です。現在、Ti6Al4Vは全チタン合金生産量の50%、加工されたチタン合金部品の95%を占めています。開発以来、この合金に関する研究は絶え間なく続けられ、長年の研究により加工技術は非常に成熟したものとなっています。

しかし、近年では設計概念の変化に伴い、単純な静的強度設計から破壊安全設計や損傷許容設計の概念へと移行し、新しい応用分野への開発が進んでいます。これにより、Ti6Al4V合金に関する研究が再び活発化しています。現在、この合金の微細組織、テクスチャ、熱処理、断面サイズ、荷重方向、応力比、表面状態、および腐食環境が疲労特性に与える影響やそのメカニズムに関して、多くの研究が行われています。これにより、Ti6Al4Vは新たな応用材料として再び注目を集めています。

表1：Ti6Al4V合金およびTi6Al4V（ELI）合金の化学組成（質量分率 %）

1. 工業におけるβ熱処理の応用

航空業界において効率の向上とコスト削減の要求が高まる中、航空材料の密度を低減しつつ性能を向上させることがますます重要になっています。材料の密度を低減することで、航空機の推力重量比を向上させ、飛行距離を延ばし、燃料費を削減できます。航空機の構造部品の軽量化を実現する主な方法の一つは、比強度が高く、総合的な性能に優れたα+β型チタン合金を採用することです。これにより、質量を10%以上削減することが可能になります。

同時に、部品の設計寿命や損傷許容性を維持するためには、材料には優れた破壊靭性と亀裂進展抵抗性が求められます。他の高強度エンジニアリング材料と比較して、チタン合金は弾性率が低いため、剛性を基準に設計された構造部品は強度を基準に設計された部品よりも厚く重くなる傾向があります。このため、α+β型チタン合金の総合性能をさらに向上させることは、研究者にとって重要な課題となっています。

通常、チタン合金の鍛造温度は相変態点より40～50℃低い範囲で設定されます。この温度で加熱・変形を行うことで、等軸晶の組織が形成されます。この組織は、常温での高い強度、良好な延性、優れた熱安定性を備えていますが、高温での性能や破壊靭性、亀裂進展抵抗性は劣ります。一方、相変態点以上の温度で行うβ鍛造では、バスケットウェーブ（網目状）組織が得られます。この組織は、高温でのクリープ性能や持久強度、破壊靭性、亀裂進展抵抗性が向上しますが、延性や熱安定性が大幅に低下します。

この問題に対処するため、研究者は相変態理論、変形熱処理、および強靭化理論を組み合わせ、コンピュータ数値シミュレーションを鍛造技術に活用して、近β鍛造理論を提案しました。この理論によると、相変態点より45～75℃低い温度で加熱・変形を行うことで、**三相組織（等軸α + 板状α + β変態基体）**が得られます。この組織により、延性や熱安定性を損なうことなく、材料の降伏強度、高温クリープ性能、低サイクル疲労寿命、破壊靭性、亀裂進展抵抗性が向上し、使用温度の範囲も広がります。

文献によると、鍛造加熱温度をβ変態温度より45～75℃低い範囲に設定した場合、常温での引張強度や伸びの指標はGJB391-87規格の要求を完全に満たしています。これは、加熱温度とβ変態温度の差が大きいため、鍛造中の変形による温度上昇がβ変態温度を超えず、変形が全て二相領域内で行われるためです。これにより、約70%の加工率が確保されます。最終的に鍛造された製品は熱処理後、初生α + β等軸晶組織を持つことが確認されています。

2. 組織と結晶方位（テクスチャ）が性能に与える影響の研究

変形の方向性によってテクスチャ（結晶方位）が形成されます。板材の組織分布が各方向に均一である場合、変形特性が等方性に近づき、全方向の変形率が均一化されるため、弱点が発生しにくくなります。室温において、Ti6Al4V合金のα相の割合は85%以上に達します。特に、α相の**六方密充填構造（HCP）**の結晶方位が板材の表面に対して垂直またはほぼ垂直の場合、厚み方向のテクスチャ密度が高くなり、強度が最大化されます。このような状態では、深絞り加工中に破損しにくくなります。

Ti6Al4V合金は、6%のα安定化元素（Al）と4%のβ安定化元素（V）を含み、優れた総合性能を持つため、航空産業で広く使用されています。この合金は棒材、鍛造品、薄板、型材、線材などの半製品として利用されています。

組織とテクスチャの違いによる機械的特性への影響

異なる組織やテクスチャは、異なる機械的特性を示します。

• 高密度のテクスチャ：高い強度性能を示します。

• 低密度のテクスチャ：低い強度性能を示します。

適切な変形プロセスを通じて、材料に有利なテクスチャを形成し、さらなる加工を容易にすることが可能です。板材の場合、テクスチャが板材表面に対して垂直またはほぼ垂直であると、厚み方向の強度が向上し、縦方向と横方向の性能が均一化されます。このような状態では強度は比較的低いものの、冷間加工やプレス成形に優れた特性を示します。

さらに、文献の研究によると、圧延を通じて形成された異なる組織やテクスチャにより、材料の特性は大きく変化します。それぞれの組織には、特定の性能上の利点が存在します。

微細組織が性能に与える影響

Ti6Al4V合金は主に通常焼鈍状態で使用されるほか、焼入れ・時効処理状態でも使用されます。状態の違いによって、微細組織が性能に与える影響は大きく異なります。

• 通常焼鈍状態

• 滑らかな表面での疲労や欠陥のある表面での疲労において、板状組織の疲労限度は二相組織よりも高くなります。

• ただし、高応力領域では、二相組織の方が板状組織よりも優れた疲労性能を示します。

• 焼入れ・時効処理状態

焼入れ・時効処理状態の疲労性能は、以下の順に低下します。

二相組織 > 微細等軸晶組織 > 微細板状組織 > 粗大等軸晶組織 > 粗大板状組織

さらに、マクロレベルでの粒径差が顕著な場合、微細組織の種類が同じであっても、合金の疲労性能には大きな差が生じます。そのため、鍛造品の微細組織と粒径を適切に制御することは、性能を最適化するために非常に重要です。

3．Ti6Al4V の原材料に対する溶解方法と鍛造が微細組織および性能に与える影響

Ti6Al4V 合金は、優れた常温強度および高温耐熱性能を有することから、航空機の外板、コンプレッサーディスクおよびブレード、宇宙推進システムの燃料タンクなど、複雑な荷重を受ける重要部品に広く使用されています。これらの部品は非常に高い品質基準を必要とするため、最終製品の欠陥を最小限に抑えるためには、溶解、開塊、圧延や鍛造を含む全ての製造プロセスを厳密に管理する必要があります。

特に、溶解および開塊段階で発生した欠陥は後工程で除去しにくいため、原材料（鍛造用ビレット）の微細組織と性能を厳しく管理することが極めて重要です。実験により、Ti6Al4V 合金の鍛造ブロックには三回の真空アーク再溶解（VAR）を用いた製造が適しており、1150℃でのβ鍛造と逆方向の打ち抜き変形を行うことで、優れた微細構造が得られ、加工率も高く、熱処理後には初生α＋βの等軸晶組織が形成されることが確認されました。

また、鋳塊を二相域で多回数鍛造して板材を製造し、圧延と焼鈍を行うことで、XJ/BS5154規格を満たす厚板が製造可能であることが実証されています。さらに、「クラッド積層圧延法」を用いて Ti6Al4V 合金の広幅薄板の製造が研究されており、圧延方法、変形量、熱処理条件が組織と性能に与える影響が検討されています。

3.3m 4ロールリバーシブルミルを用いたクラッド積層圧延では、以下の2つのルートが有効とされています：

1. β処理後にα＋β域での成形圧延

2. α＋β域での開塊および成形圧延

いずれのルートでも、熱処理および表面処理後、性能、組織、外観、板形状において Q/BS5508-1999 の要求を満たす広幅薄板が得られることが確認されました。工程を最適に制御することで、所望の微細組織と性能を満たすビレットを製造することが可能です。

4．Ti6Al4V の等温鍛造と超塑性加工

Ti6Al4V 合金は、現在最も広く使用されている α＋β 型チタン合金であり、高強度と良好な延性を兼ね備えているため、新型戦闘機ではチタン合金の使用比率が 40% にまで増加しています。このような大規模な応用は、エンジンの推力重量比の向上や飛行速度、戦闘性能の強化に大きく貢献しています。

しかし、この材料は熱間加工において変形抵抗が大きく、加工温度が高く、熱間加工可能な温度範囲も狭いため、「加工が困難」な材料に分類され、価格も非常に高価です。通常の鍛造では、大型の荒材を作ることしかできず、エンジン部品における金属利用率は 10～20% にとどまり、航空機構造部品によっては 10%未満 になることもあり、大量の材料が無駄になります。その結果、素材価格が高く、切削加工性も悪いため、最終製品の価格は非常に高額になります。

さらに、大型鍛造品では冶金品質、微細組織、性能の制御が困難であり、製品性能のバラつきが大きくなりがちです。これらの問題を解決する方法の一つが、近・無切削の「ネットシェイプ鍛造（精密成形）」を実現することです。

等温鍛造による課題解決と利点

チタン合金の熱間加工可能な温度範囲が狭いという課題に対し、等温鍛造が有効な手法として注目されています。等温鍛造は、特定温度条件での超塑性変形を利用した新しい加工方法です。

チタン合金は温度が下がると変形抵抗が急激に増加するため、普通鍛造ではワーク表面の低温層による影響が大きくなり、

• 通常鍛造では変形応力が 390～590 MPa、

• 精密鍛造では 490～980 MPa に達することもあります。

このような高応力は金型に大きな負荷を与え、局所的な加熱や軟化を引き起こし、金型寿命を大幅に低下させてしまいます。これが高精度模鍛造の実用化を妨げる主な原因の一つです。

一方、超塑性条件下では、表面に低温層が存在せず、ワークと金型の間に潤滑層が形成されるため摩擦が極めて小さくなります。この状態では、

• 通常の変形応力は 80～100 MPa に抑えられ、

• 非常に複雑な形状であっても 200 MPa 以下 で変形可能です。

しかもこれは主に静圧であるため、等温鍛造では通常模鍛の 1/5〜1/10 の荷重で高精度な鍛造品が得られます。

デッドゾーンの問題とその解消

一般鍛造では、変形のデッドゾーン（非加工領域）が避けられず、これが鍛造品内部の組織不均一の主因となります。金型の冷却効果や摩擦の影響により、ワーク表面に低温層ができ、変形量が小さく粗大結晶が破壊されずに残るのです。

このような粗大結晶の影響を回避するため、加工余裕（マージン）を増やして後工程で除去する方法が多く用いられますが、それによって金属材料の浪費が増え、高精度鍛造の実現が難しくなる要因の一つです。

一方、等温鍛造や加熱金型鍛造では、ほぼデッドゾーンが発生しないため、精密鍛造では等温鍛造されたビレット（胚料）の使用が必須であり、デッドゾーンを含む素材の使用は適していません。

安定した製品品質と応用実績

等温鍛造では、人為的な影響が大幅に減少します。作業者は、ワークを自動温度制御付きの電気炉から自動温度制御金型に移動させ、あとは設定パラメータに基づいて油圧プレスが自動で成形を行います。金型からの取り出し以外は全て自動化されており、プロセス安定性が非常に高く、精密鍛造に適した条件を実現しています。

研究では、等温模鍛によって製造された 中空高圧前軸部品（Ti6Al4V 合金） は表面が非常に滑らかで、通常鍛造品に比べて 60％ の軽量化、大幅な材料節約、加工工数の削減が実現されました。化学成分、機械的性質、組織すべてが技術条件を満たしており、複数のエンジンにおいて試験運転が実施され、累計運転時間は 1007 時間、そのうち 最長連続試験時間は 249 時間 に達し、いずれも異常は発生しておらず、エンジン設計の要件を完全に満たすことが確認されました。

さらに、研究者はチタン合金異形シェルの熱成形用金型および成形条件についても研究し、加熱方式、成形速度などが成形品質に与える影響を検討しました。Ti6Al4V 押出管材を用いて 2ステップ成形を行い、成形温度 780°C、第1ステップの圧下速度 7 mm/s、第2ステップ 5 mm/s に設定することで、要求を満たす異形チタン合金シェル部品の成形に成功しました。

5．Ti6Al4Vの組織シミュレーションおよび性能予測

高温成形の過程では、金属は動的および静的再結晶を起こし、新たな結晶粒が生成されます。こうした微細組織の変化は、製品のマクロ的な力学特性に大きく影響します。熱間加工を通じて結晶粒のサイズを制御し、組織を微細化することは、材料の力学性能を向上させる重要な手段です。

研究によると、再結晶による結晶粒のサイズや再結晶粒の割合は、元の結晶粒サイズや微量元素の含有量に加え、変形と冷却の過程における温度、ひずみ、ひずみ速度によって大きく左右されます。

近年、有限要素法（FEM）による熱間成形プロセスの数値シミュレーションは大きく進展しており、さまざまな変形パラメータの分布を高精度で予測できるようになっています。これにより、熱間成形時の微細組織の変化を解析する強力な手段が得られました。

従来は成形プロセスにおける変形挙動の解析が中心でしたが、現在では金属の組織変化を予測するモデル、さらには最終製品の力学特性（降伏強さ、引張強さ、伸び、硬さなど）を予測するモデルの構築が進んでおり、これは金属の塑性加工分野における重要な研究課題となっています。これにより、生産技術の進歩と製品性能の向上が期待されています。

また、定量金属組織解析技術を用いて、Ti6Al4V合金の高温変形過程における組織変化を研究し、**ファジィ集合理論の動的ファジィ線形モデル（FDLM）**を応用して、高温変形時の組織変化を表現する方法も検討されました。

モデル構築においては、実験により取得した高温変形時のTi6Al4V合金の組織パラメータ（α相の体積分率およびサイズ）と、加工パラメータ（変形温度、ひずみ量、ひずみ速度）との関係データを用いて、線形回帰法によりパラメータを求め、高温変形時の組織進化予測モデルを構築しました。

試料データと予測モデルの計算結果を比較したところ、本モデルは高い信頼性と予測精度を持つことが確認されました。

6．Ti6Al4Vの応用分野の開発

科学技術の進展に伴い、チタンおよびチタン合金は、その優れた力学性能、耐食性、生体適合性、さらに人骨に近い弾性率などの総合的な特性から、近年ますます注目されており、人体への埋め込み用途での利用が大きく進展しています。

チタンの人体埋め込み用途における応用は1950年代に始まり、当初からTi6Al4V合金が主要なインプラント材料として使用されてきました。現在においても、Ti6Al4Vは医療用インプラント分野で主流の地位を占めています。

また、チタン合金はその魅力的な特性により、自動車分野でも幅広い応用が期待されています。特にレーシングカーやスポーツカーでは、Ti6Al4V合金製のバルブシートリングが年間25万個以上生産されており、鋼製部品と比べて1個あたり約10～12gの軽量化が可能となり、車両の性能や燃費向上に大きく寄与しています。