強くて延性のあるチタン

Nature volume 618、pages 63–68 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

チタン合金は先進的な軽量素材であり、多くの重要な用途に不可欠です1、2。 チタン産業の主力は α-β チタン合金であり、α 相と β 相を安定化する合金添加によって配合されます 3、4、5。 私たちの研究は、α-β チタン合金の最も強力な安定化元素と強化元素の 2 つ、酸素と鉄 1、2、3、4、5 を活用することに焦点を当てています。これらはすぐに豊富に存在します。 しかし、口語的に「クリプトナイトからチタン」8 と表現される酸素の脆化効果 6,7 と鉄の微小偏析 9 は、強くて延性のある α-β チタン-酸素-鉄合金の開発におけるこれらの組み合わせの妨げとなってきました。 ここでは、合金設計を積層造形 (AM) プロセス設計と統合して、優れた引張特性を示す一連のチタン、酸素、鉄の組成を実証します。 私たちは、さまざまな特性評価手法を使用して、これらの特性の原子スケールの起源を説明します。 豊富な酸素と鉄、および AM によるネットシェイプまたはニアネットシェイプの製造プロセスの簡素さにより、これらの α-β チタン-酸素-鉄合金は、多様な用途にとって魅力的なものとなっています。 さらに、現在産業廃棄物となっているオフグレードのスポンジチタンやスポンジチタン・酸素・鉄10,11の工業規模での利用も期待できる。 エネルギー集約型のスポンジチタン生産による二酸化炭素排出量を削減できる経済的および環境的潜在力は大きい12。

ほとんどの工業用チタン (Ti) 合金は、Ti の 2 つの基本相、六方最密充填 (HCP) α と体心立方晶 (BCC) β に基づく微細構造を備えています。 Ti-6Al-4V (指定のない限り重量%) で代表される α-β Ti 合金は、Ti 産業のバックボーンです 1,2。 それらは、(1) バーガーに近い配向関係を持つラメラ α – β、(2) 等軸の α および β、または (3) α – β ラメラ間の球状 α を含む微細構造を形成することができます。 これらの微細構造にはそれぞれ長所と短所があるため、α-β Ti 合金はさまざまな産業用途に多用途に使用できます 1、2、3、4、5。 これらのうち、ラメラ状のα-β微細構造が一般的に適用されています。

α-β Ti 合金は、Ti にα相およびβ相の安定剤を合金化して形成されます。 α相安定剤は、Al、N、O、C、Ga、Geに限定されており（参考文献3、4、5）、そのうちNとCは厳密に管理された不純物（0.05% N、0.08% C）です2、3。一方、Ga と Ge は商業的に実行可能ではありません。 したがって、Al と同様に、O が唯一の実用的な選択肢となります。 補足表 1 に、α 相安定剤として Al を使用する主な α – β Ti 合金を示します。 特に、O は、(1) α 相を約 20 倍強化する (参考文献 1 の 16 ページの表 4 に示されたデータに従って計算)、(2) α 相を 1 倍安定化するという点で Al よりも優れています。 (参考文献 5 の 380 ページに示されているアルミニウム当量式に基づく)、および (3) 凝固中の以前の β 粒子の成長を 40 倍を超える係数で制限します (10.8 対 0.26)13。 しかし、O のこれらの特性は、α-β Ti 合金の開発では十分に活用されていません。

Ti の主な α 相安定剤としての O の問題は、変形中の転位との強い相互作用による脆化効果です6,7。 さらに、O は相平衡を変化させ、脆化する α2 相 (Ti3Al)14 の形成を促進します。 これらの制約により、工業用 Ti 合金の経験的な設計ルールは、Al + 10(O + C + 2N) + 1/3Sn + 1/6Zr < 9.0% (参考文献 5) となりました。 Ti-6Al-4V の場合、この設計ルールでは 0.05% N および 0.08% C で 0.12% 未満の O (参考文献 15) が必要ですが、グレード 23 Ti-6Al-4V では 0.13% O、グレード 23 Ti-6Al-4V では 0.20% O に緩和されました。グレード 5 Ti–6Al–4V。 この規則に従って、Al 含有量が低いほど、O 含有量が高くなります。 実際、最新の工業用α-β Ti 合金 ATI 425 (Ti-4.5Al-3V-1.8Fe-0.3O)16 では、Al 含有量が低いため、最大 0.3% の O が許容され、上記の経験則では最大 0.3% が許容されます。 0.31% の O。Al が含まれていない場合、この規則では最大 0.72% の O が許容されます。