インベストメント鋳造用チタン合金：種類、メリット、用途

チタンは軽量で高強度ですが、切削、溶接、成形が難しい材料です。そのため、この金属で部品を製造する最良の方法はインベストメント鋳造です。

本稿では以下を解説します。

チタンは18世紀に発見されましたが、高融点（3,020°F / 1,660°C）と酸素との反応性により加工が困難でした。1960年代になってようやく最も厳しい航空宇宙用途で使用されるようになりました。

航空宇宙業界がチタンを好むのは、アルミニウムよりわずかに重いだけで強度は2倍以上だからです。また、割れと疲労に強く、クリープが極めて小さいため、機体構造部品に最適です。

他に注目すべき特性は耐食性と生体適合性。アルミニウムと同様に自己修復性の酸化皮膜が表面にあり、海水やほとんどの化学薬品（強酸除く）の攻撃を防ぎます。これにより、海水淡水化プラント、特に海水淡水化熱交換器での使用に最適な金属となっています。

さらに、生体適合性があるため、人体への埋め込みでも悪影響を及ぼしません。

高融点に加え、チタンは酸素と容易に反応し、切削が難しいという問題があります。

反応性は真空溶解・注湯で対処します。しかし溶接は、空気を完全に遮断するのが非常に難しいため大きな課題です。

切削性の課題は「粘り気」のある金属特性に起因。切削工具上を滑らかに滑る代わりに、くっつきやすく、溶着が発生して工具寿命を劇的に短縮させます。

インベストメント鋳造はニアネットシェイププロセスであり、真空下で実施可能。これにより酸素との反応を防ぎ、溶接の必要性を排除し、機械加工を最小限に抑えられます。

インベストメント鋳造は、鋳造する部品のワックスレプリカから始まります。ワックスをセラミックスラリーでコーティングし、硬いシェルを形成。ワックスを溶かし出し、真空下で溶融チタンを空洞に注ぎ込みます。凝固後、シェルを破って鋳造部品を取り出します。

インベストメント鋳造プロセスは高い幾何学的精度を実現し、微細な表面ディテールを忠実に再現。アンダーカット、薄肉、リセス形状が可能で、機械加工代を極めて小さくできます。複雑な形状を一体で製造できるため、小さなピースを溶接で接合する必要がありません。

チタンには複数の市販純チタングレードと4つの主要な合金タイプがあります。合金化は主にアルミニウム、モリブデン、バナジウム、ニオブで行われ、耐食性、クリープ耐性、溶接性を向上させます。

4つの合金は以下の通り。

其中、6AL-4Vが最も広く鋳造されています。航空宇宙での広範な用途に加え、海水耐食性からマリンプロペラシャフトや海水淡水化熱交換器でも好まれます。

6AL-4V ELIは手術グレードのチタン合金と見なされ、非常に優れた生体適合性と疲労強度を持ちます。

3AL 2.5は最も溶接性に優れたチタングレード。耐食性も高く、熱交換器など高温化学プロセス用部品に選ばれることが多いです。

機体用途では非常に高いクリープ耐性が求められ、5AL-2.5Snがそれに優れます。高比強度もチタン使用の理由です。

チタンは他の金属に比べて多くの利点がありますが、切削、溶接、成形が困難です。チタン部品を製造する最良の方法はインベストメント鋳造であり、薄肉・微細ディテールを備えた精密なニアネットシェイプ形状が得られます。

一部用途では市販純チタングレードが用いられますが、アルミニウムなどと合金化したものがより一般的。正確な組成により鋳造挙動、クリープ・耐食性が向上します。

チタン部品の大半は6AL-4V合金で鋳造されますが、用途によっては他の合金がより適する場合もあります。世界有数のインベストメント鋳造企業として、インプロはお客様の製品に最適な合金をアドバイスできます。詳細についてはお問い合わせください。

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