Ti-6Al-4V ELI（Grade 23）チタン合金

Ti-6Al-4V ELIの紹介

Ti-6Al-4V ELI（Extra Low Interstitial、超低間隙元素）は、Ti-6Al-4V（Grade 5）の改良版であり、α+β二相チタン合金です。主な特徴は、通常のTi-6Al-4Vと比較して、ELIグレードは酸素、炭素、窒素、鉄などの不純物含有量が低いため、材料の靭性、疲労性能、亀裂耐性が向上することです。優れた生体適合性、機械的特性、耐腐食性を持ち、Ti-6Al-4V ELIは医療、航空宇宙、高度な産業製造分野で広く使用されています。

超低間隙元素の含有量により、通常のTi-6Al-4Vよりも優れた特性を持ち、特に高い破断靭性と疲労耐性が求められる用途に適しています。

Ti-6Al-4V ELIの化学成分

Ti-6Al-4V ELIの化学成分は、ASTM F136、ASTM B348、AMS 4907などの規格を満たしており、以下の通りです（単位：%）：

• Ti：残り

• Al：5.5~6.5

• V：3.5~4.5

• O ≤ 0.13

• C ≤ 0.08

• N ≤ 0.03

• H ≤ 0.0125

• Fe ≤ 0.25

通常のTi-6Al-4V（Grade 5）と比較して、ELIグレードは酸素含量の上限が低く（0.13% vs. 0.20%）、窒素、水素などの間隙元素も厳しく管理されています。

Ti-6Al-4V ELIの物理的特性

• 密度：4.44 g/cm³

• 融点：1604-1660°C

• 弾性係数：110 GPa

• 熱伝導率：6.6 W/m·K

• 比熱容量：560 J/kg·K

• 電気抵抗率：1.63×10⁻⁶ Ω·m

低密度と高強度を兼ね備えているため、Ti-6Al-4V ELIは航空宇宙や医療インプラントの理想的な選択肢となります。

Ti-6Al-4V ELIの機械的特性

Ti-6Al-4V ELIの機械的特性は、特に低温靭性と疲労性能において、通常のTi-6Al-4V（Grade 5）よりも優れています。

Ti-6Al-4V ELIは低温下でも優れた靭性を保持するため、深海や航空宇宙などの極限環境での使用に適しています。

Ti-6Al-4V ELIの主な特徴

1. 高強度、低密度

• その強度はほとんどの鋼合金よりも高いですが、密度は鋼の約57%で、軽量で高強度の材料として最適です。

2. 優れた耐腐食性

• 海水、酸性環境、生理液などの媒体に対して優れた耐腐食性を示し、特に医療インプラントや海洋工学に適しています。

3. 優れた生体適合性

• 低毒性、生理的腐食耐性、良好な組織適合性を有するため、Ti-6Al-4V ELIは人工関節、骨板、歯科インプラントなど、整形外科や歯科のインプラントに広く使用されています。

4. 優れた靭性と疲労性能

• 間隙元素（O、N、C、Hなど）の含有量が低いため、Ti-6Al-4V ELIは低温および高サイクル荷重環境で通常のGrade 5よりも優れた破断靭性と疲労耐性を持ちます。

5. 良好な加工性

• 鍛造、機械加工、3Dプリント（SLM/EBM）など、さまざまな加工方法に適しており、異なる加工要求に応えることができます。

Ti-6Al-4V ELIの応用分野

1. 医療インプラント

• 整形外科：人工関節（股関節、膝関節）、骨固定具、脊椎インプラント

• 歯科：歯科インプラント、歯橋、矯正ブラケット

• 心血管：心臓弁ステント、埋め込み型医療機器

• 外科器具：手術用ナイフ、骨ノコ、ピンセットなど

2. 航空宇宙

• 機体構造部品、エンジン部品（例えば、ローター、ファンブレード）

• 宇宙船接続部品、荷重構造

• 深宇宙探査機、衛星コンポーネント

3. 高端産業

• 海洋工学：深海潜水艇の外殻、海底パイプラインの接続部品

• スポーツ器具：高級自転車フレーム、ゴルフクラブ

• 自動車製造：レーシング部品（サスペンション部品、ブレーキディスクなど）

成形および加工上の注意点

1. 機械加工

• Ti-6Al-4V ELIは加工硬化が顕著であるため、切削時には鋭い工具（例えば、タングステンカーバイド工具）を使用することが推奨されます。

• 低速、高送り速度を使用し、冷却液を併用して工具の摩耗を抑えることが推奨されます。

2. 溶接

• TIG溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接が可能ですが、酸化を防ぐため、真空または不活性ガス環境で行う必要があります。

3. 熱処理

• アニール：700-850°Cで1-2時間保温し、靭性および加工性を向上させます。

• 固溶+時効：940-970°Cで固溶処理し急冷後、500-600°Cで時効処理を行い、強度を向上させます。

4. 3Dプリント

• Ti-6Al-4V ELIは選択的レーザー溶融（SLM）および電子ビーム溶融（EBM）による加法製造に適しており、複雑な構造部品の製造に適しています。

Ti-6Al-4V ELI vs. Ti-6Al-4V（Grade 5）の比較

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