βチタン合金
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βチタン合金
概要
βチタン合金は、β安定化元素（Mo、V、Nb、Cr、Feなど）を主な合金元素として、高いβ相安定性を持ち、一定の条件下では単一のβ相構造を維持できます。熱処理を施さなくても強度が高く、焼入れ・時効処理を施すことでさらに強化され、常温強度は1372～1666MPaに達しますが、熱安定性が悪く、高温での使用には適していません。
• α 相: チタンの α 相は六方最密格子 (HCP 構造) であり、高強度、高硬度、優れた高温性能、耐腐食性が特徴です。 αチタン合金は、通常、純チタンまたはチタン合金のα相を主成分としており、その格子構造により、高温や過酷な環境下でも優れた性能を発揮します。
• β 相: チタンの β 相は体心立方格子 (BCC 構造) であり、可塑性に優れていますが、高温での強度は α 相よりもわずかに低くなります。
β安定化要素とは何ですか?
β相に優先的に溶解し、同素変態温度を下げ、β相領域を拡大する元素をβ安定化元素といいます。チタンとの相互作用の特性により、β同形とB共析の2種類に分けられます。
（１）βチタンにはβ同形安定化元素が無限に溶解しており、モリブデン、バナジウム、タンタル、ニオブなどの溶質元素が増加するにつれて、同素体変態温度は徐々に低下する。
（２）共析安定化元素は、類似異形相の変態温度を下げる効果に加え、共析変態効果も有する。 β相は共晶分解してα相と金属間化合物を形成します。共析反応速度の違いにより、遅い共析元素（鉄、クロム、マンガン）と活発な共析元素（銅、シリコン）の2種類にさらに分けられます。共析変態は極めて速く、急冷しても抑制できないため、β相を室温で安定化させることはできません。
α チタン合金および α+β チタン合金と比較して、β チタン合金には次の重要な特性があります。
•高強度・高靭性：βチタン合金は、良好な可塑性と靭性を維持しながら、熱処理によって高強度（1400 MPa以上）を得ることができます。
•優れた熱間加工性能：βチタン合金は高温可塑性が良好で、熱間鍛造、熱間圧延、押し出し、引抜などの加工が可能で、大型で複雑な部品の製造に適しています。
•優れた溶接性能: α および α+β 合金と比較して、β チタン合金は溶接に対する感受性が低く、レーザー溶接、電子ビーム溶接、タングステン不活性ガス溶接などに適しています。
•高い硬化性と熱処理能力：固溶化硬化と時効硬化が可能で、優れた機械的特性が得られます。
•弾性率が低い：鋼やα+βチタン合金よりも弾性率が低いため、生体インプラント材料、弾性部品などの分野での使用に適しています。
一般的なβチタン合金とその組成
β チタン合金には通常、β 相の安定性を維持するために β 安定化元素が添加されます。一般的な合金には以下のものがあります。
合金グレード | 主成分（質量％） | 機能とアプリケーション |
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（ベータC） | 3Al、8V、6Cr、4Mo、4Zr | 高強度、高耐摩耗性、航空機着陸装置、医療機器に最適 |
Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-1023） | 10V、2Fe、3Al | 高強度、良好な熱間加工性、航空機構造部品に広く使用されている |
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr（Ti-5553） | 5Al、5V、5Mo、3Cr | 超高強度、優れた硬化性、航空機エンジンに使用 |
チタン-15Mo | 15ヶ月 | 弾性率が低く、生体適合性に優れ、医療用インプラントに適しています。 |
チタン-35Nb-7Zr-5Ta | 35Nb、7Zr、5Ta | 超低弾性率、高い生体適合性、整形外科用インプラントに広く使用されている |