同形β-安定剤: 延性と深部硬化を可能にするもの
同形のβ-安定剤はチタンのBCC結晶構造を共有し、β-相に完全な固溶性を示します。これらの元素-Mo、V、Nb、Ta、W-は、α+βおよびβ-チタン合金の骨格を形成します。
3.1 バナジウム: Ti-6Al-4V パートナー
V is the classic β-stabilizer in Ti-6Al-4V, the most widely used titanium alloy accounting for >世界のチタン消費量の50%。 4 wt% の V 添加により、β- トランザスが十分に抑制され、室温で約 10 ～ 50% の β- 相を含む 2- 相微細構造が可能になります。
V は、いくつかの重要な機能を提供します。
β保持：熱処理による微細構造制御が可能
脆化のない強度: 格子間強化とは異なり、V は延性を維持しながら固溶強化に貢献します。
加工性: 二相微細構造により、熱間加工性と最終的な機械的特性の最適なバランスが得られます。-
3.2 モリブデン: 最も強力なβ-安定剤
Mo は、モリブデン当量概念 ([Mo]eq) によって定量化され、β- 相の安定化において V の約 2 倍効果的です。各 1 wt% Mo は、約 2 wt% V に相当する β- 安定化力を提供します。
相制御: Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si (高強度航空宇宙用ファスナーに使用) などの合金では、Mo により焼き入れ時の完全な β 保持が可能になり、その後時効中に α 析出が制御されます。
耐食性: Mo の添加により、還元酸環境における不動態性が強化されます。 Ti-Mo 合金は、TiO2 と混合した MoO3 を含む不動態皮膜を形成し、非合金チタンと比較して HCl 溶液中で優れた安定性をもたらします。
最近の進歩: Zhang et al. N 添加を制御した Mo- 含有合金が、不均一なラメラ構造を通じて優れた特性を達成することを実証しました。彼らの Ti-2.8Cr-4.5Zr-5.2Al-0.4N 合金は、10.2% の均一伸びで 1532 MPa の降伏強度を達成し、チタン合金について報告されている最良の組み合わせの 1 つに位置づけられました。
3.3 ニオブとタンタル: 生体適合性安定剤
Nb と Ta は、長期的な生体適合性が不可欠な生物医学用途で注目を集めています。{0}}細胞毒性の懸念を引き起こす V とは異なり、Nb と Ta は生理学的に不活性です。
低弾性設計: Nb の添加により、骨の 10～30 GPa に近い 50 GPa 未満、Ti-6Al-4V の 110 GPa をはるかに下回る弾性率を備えたβ-チタン合金が可能になります。- Ti-35Nb-7Zr-5Ta 合金はこのアプローチの例であり、Nb を Zr および Ta と組み合わせて、整形外科用インプラントの応力シールドを低減します。
不動態皮膜の強化: Nb および Ta 酸化物が表面の不動態皮膜に組み込まれ、その安定性と耐食性が向上します。塩化物-を含む環境では、Nb-で改質された不動態皮膜は点欠陥密度が減少し、局所的な破壊に対する耐性が向上します。
3.4 タングステン: 高温酸化耐性-
Gautierらによる最近の体系的な研究。高温用途向けの W、Ta、Hf の添加を検討しました。-空気中 650°C で 5000 時間暴露した後、W は酸化速度の最も顕著な低下を示しました。
メカニズム: W は酸化物と金属の界面で Ti₂N の形成を促進し、バルク合金への酸素の溶解を減少させる窒素が豊富な層を形成します。{0}三元 Ti-10Al-2W (at%) 合金は、耐酸化性において市販の高温合金 Ti6242S を上回りました。
トレードオフ: W は密度が高く (19.3 g/cm3)、大量の添加によりチタンの密度の利点が無効になります。課題は、最小濃度を特定することにあります（通常、<2 wt%) that provide oxidation benefits without unacceptable weight penalties.
共析β-安定剤: コスト効果の高い強化-
共析-形成元素-Fe、Cr、Ni、Cu、Si-もβ-トランザスを抑制しますが、共析分解を通じて金属間化合物を形成する能力が同形安定剤とは異なります。
4.1 鉄: 低コストの安定化-
Fe は強力で安価なβ-安定剤です。拡散速度が速いため、熱処理に対する素早い応答が可能になりますが、凝固中に偏析も促進されます。 Fe- 含有合金は、不均一な機械的特性を生み出す、濃縮された β{6}} 安定剤の局所領域の β-斑点-を避けるために、慎重な処理を必要とします。
4.2 シリコン: 高温クリープ耐性-
近-α高温-合金（Ti-6242S、IMI 834など）では、0.1～0.5 wt%のSi添加が標準です。 Si には 2 つの利点があります。
固溶強化：溶液中のSiは高温での転位の上昇を妨げます
シリサイドの析出: 微細な (Ti,Zr)₅Si₃ がピン粒界とサブ境界を析出させ、クリープ変形を遅らせます。-
Gautier らによる最近の研究。 Si は耐火元素と組み合わせることで、600 ～ 650 °C での耐クリープ性と耐酸化性の両方が相乗的に向上することを確認しました。
中性元素: 微細構造リファイナー
Zr、Hf、Sn は、β- トランザス温度に最小限の影響を与えますが、α 相と β 相の両方で実質的な固溶体強化をもたらします。
5.1 ジルコニウム: 完全な溶解性パートナー
Zr は、α 相と β 相の両方で Ti と完全に混和します。-これは、周期表の IVB 族の位置に起因する独特の特性です。この完全な溶解により、次のことが可能になります。
相不安定性を伴わない強化: Zr を添加すると、相バランスを変えることなく固溶メカニズムを通じて強度が向上し、合金設計が簡素化されます。
腐食の強化: 海洋環境では、Zr- 含有合金はより安定した不動態皮膜を形成します。 ZrO2 は TiO2 層に組み込まれ、酸素欠損の濃度を減少させ、塩化物攻撃に対する耐性を高めます。
最近の発見: Mo と Zr の添加を比較した Ti575 合金 (Ti-5Al-7.5V-0.5Si) の研究では、Zr は Mo よりもα微細化が少ない一方で、核生成障壁を低減することによってシリサイドの析出を促進することが示されました。
5.2 錫
Sn は、相の安定性を大きく変えることなく固溶体を強化します。 - 高温合金 (Ti-6242、Ti-1100) では、Sn は固溶体効果およびケイ化物の析出挙動を変更することにより、耐クリープ性に貢献します。
続きます...
