Ti3Al粉末：組成、特性、用途など

Ti3Al粉末の主な特性には次のようなものがある：

• 750℃までの高温で高い強度
• ニッケル超合金の約半分の密度
• 優れた耐食性
• 他のチタン合金に比べて密度が低い
• 約700℃までの耐酸化性
• 耐摩耗性
• 生体適合性

しかし、Ti3Alには、室温での延性が低い、破壊靭性が低い、溶接性が悪いなどの限界もある。用途に応じて特性のバランスを最適化するには、適切な加工と合金添加が必要である。

この記事では、Ti3Al粉末に関する組成、特性、用途、サプライヤー、コスト、試験方法、その他の技術的な詳細について詳しく説明する。

Ti3Al粉末の組成

Ti3Al粉末の公称組成は、重量比で75%チタンと25%アルミニウムである。チタンアルミナイド金属間化合物は50-75%アルミニウムの間で形成され、Ti3Alは最も一般的なバージョンです。

正確な組成は製造方法によって異なる。Nb、Mo、Si、B、Ta、W、C、Oなどの他の元素は、特定の特性を高めるために少量添加されることが多い。下の表は、典型的な組成範囲を示している：

エレメント	重量 %
チタン（Ti）	69 – 76%
アルミニウム（Al）	24 – 31%
ニオブ	0 – 6%
モリブデン (Mo)	0 – 4%
ケイ素 (Si)	0 – 2%
ホウ素（B）	0 – 0.5%
タンタル (Ta)	0 – 5%
タングステン（W）	0 – 5%
カーボン（C）	0 – 0.1%
酸素 (O)	0 – 0.2%

脆化を避け、延性を維持するためには、酸素と炭素の含有量を制御することが重要である。原料や製法によっては、その他の微量元素が含まれることもある。

Ti3Al粉末の特性

Ti3Al粉末のユニークな特性は、チタン原子とアルミニウム原子の両方からなる秩序ある金属間結晶構造に由来する。特筆すべき特性には次のようなものがある：

高温強度

Ti3Alは750℃まで比較的高い強度を維持し、チタンやアルミニウム単体よりも大幅に優れています。このため、エンジン、タービン、バルブなどの高温用途に適しています。下の表は、異なる温度におけるTi3Alの強度を他のチタン合金と比較したものです：

合金	室温強度 (MPa)	500℃における強度（MPa）	密度(g/cm3)
Ti3Al	400	260	3.9
Ti6Al4V	900	500	4.5
Ti64	900	400	4.5

低密度

約3.7～4.1g/cm3の密度を持つTi3Alは、ニッケル超合金や他のほとんどのチタン合金よりもはるかに軽量です。これは、航空宇宙用途で重要な部品の軽量化に役立ちます。

耐酸化性

Ti3Alは、空気中で700℃まで良好な耐酸化性を示し、非合金チタンよりも優れている。これにより、過剰な材料損失なしに高温で使用することができます。

耐食性

チタン含有により、Ti3Alは広範囲の酸、アルカリ、塩分環境に対して優れた耐食性を示す。そのため、化学処理装置に有用である。

耐摩耗性

Ti3Alは鋼に匹敵する優れた耐摩耗性と耐侵食性を持ち、バルブ、ポンプ、押出成形金型などの高摩耗用途に適している。

しかし、Ti3Alには次のような欠点もある：

• 室温での延性と破壊靭性が低い
• 加工や機械化が難しい
• 割れやすいため溶接性が悪い。

用途に応じた特性のバランスを最適化するには、適切な加工と合金添加が必要である。

Ti3Al粉末の用途

Ti3Al粉末のユニークな特性は、以下の用途に適している：

航空宇宙

航空宇宙産業は、軽量化、高温強度、耐酸化性の必要性から、Ti3Al製品の最大の消費者である。代表的な用途は以下の通り：

• タービンブレード、ベーン、ディスク
• 燃焼室、アフターバーナー
• 機体、構造部品
• 油圧チューブ、バルブ

自動車

自動車業界では、高温強度と軽量化が要求されるターボチャージャー部品、バルブ、スプリング、ファスナー、排気系部品にTi3Alが使用されている。

化学処理

Ti3Alは、バルブ、ポンプ、管継手、反応容器など、高温での機械的特性と耐食性を必要とする部品に使用される。

バイオメディカル

Ti3Alの生体適合性、耐食性、強度は、人工股関節のような整形外科用インプラントに適している。

その他の用途としては、高性能バルブ、押し出しダイ、発熱体、スポーツ用品などがある。Ti3Alは添加剤製造用粉末としても使用される。

Ti3Alパウダー仕様

Ti3Al粉末は、製造プロセスに応じて、異なるサイズ範囲、形態、純度レベルで入手可能である。主な仕様を以下に示す：

仕様	詳細
粒子径	15～150ミクロン
形態学	球状、角状、混合
見かけ密度	2 - 3.5 g/cm3
タップ密度	3 - 4.5 g/cm3
純度	≥99%以上、99.9%以上
酸素含有量	≤ 0.2 wt%
窒素含有量	≤ 0.05 wt%
炭素含有量	≤ 0.08 wt%
鉄分	≤ 0.30 wt%
ニッケル含有量	≤ 0.10 wt%
スタンダードパック	5kg、10kg、25kg

一般に粒子径が細かいほど、流動性、充填密度、反応性が向上する。また、球状の形態は粉末の流動性を向上させる。純度が高いほど、汚染物質が減少し、特性が向上する。

Ti3Alパウダー製造

Ti3Al粉末の製造には、以下のような方法がある：

• ガス噴霧 - 溶融したTi-Al合金を不活性ガスで霧状にして微細な液滴にし、固化させて粉末にする。これにより、流動性の良い球状の粒子が得られます。
• 機械的合金化 - 金属間化合物を機械的に合成するために、TiとAlの元素粉末をボールミル粉砕する。粉末粒子の形状は不規則である。
• プラズマ球状化 - メカニカルアロイングによる不規則なTi3Al粉末をプラズマ中で再溶解し、球状粉末を生成する。
• 電極誘導溶融ガスアトマイズ(EIGA) - Ti3Alの電極を直接溶融し、霧化して粉末を製造する。

ガスアトマイズやプラズマ処理では、粒度分布、形態、酸素ピックアップ、微細構造をよりよく制御できる。粉末は通常、製造後に用途に応じて特定のサイズにふるい分けなければならない。

Ti3Alパウダー コスト

Ti3Al粉末は、チタン粉末やアルミニウム粉末単独よりもかなり高価です。コストの差は

• 99%純度ガスアトマイズ粉末の場合、1kgあたり$100～$500
• 99%メカニカルアロイ粉末の場合、1kgあたり$50～$250
• 99.9%プラズマ球状化粉末の場合、1kgあたり$300～$1000

価格は、粒子径、形態、純度レベル、注文量、製造業者によって異なる。特殊な組成のカスタム合金は、さらに高くなる可能性がある。生産量の増加とプロセスの改善により、コストは低下している。

Ti3Al 粉末 供給者

Ti3Al粉末の主な世界的サプライヤーには以下のようなものがある：

会社概要	所在地
エーピーアンドシー	カナダ
TLSテクニック社	ドイツ
メタル・テクノロジー	英国
ATI粉末冶金	アメリカ
カーペンター添加剤	アメリカ
メット3DP	中国
テクナ	カナダ

中国にも少数の生産者がいる。信頼できる品質と特性を保証するために、認定された製造工程を使用する確立されたメーカーからパウダーを調達することをお勧めします。

Ti3Alとその代替品

Ti3Alは、高温構造用途でいくつかの代替品と競合している：

表：Ti3Alと他の高温合金の比較

合金	密度	最高温度	強さ	延性	耐酸化性	コスト
Ti3Al	低い	非常に高い	高い	低い	グッド	高い
インコネル718	高い	高い	ミディアム	ミディアム	グッド	ミディアム
ヘインズ 230	高い	非常に高い	高い	低い	素晴らしい	非常に高い
Ti6Al4V	ミディアム	ミディアム	ミディアム	ミディアム	素晴らしい	ミディアム
フェライト系ステンレス鋼	ミディアム	ミディアム	低い	高い	貧しい	低い

最高使用温度では、Ti3AlとHaynes 230のようなニッケル基超合金が優れている。しかし、Ti3Alは密度とコストが低いため、航空宇宙のような重量が重要な用途には有利である。

Ti3Alの室温での延性が低いことが、鋼やTi6Al4Vに対する重要な制限となっている。合金とプロセスの開発は、切削性と加工性を改善し続けている。

Ti3Al粉末の利点

Ti3Al粉末を使用する主な利点は以下の通り：

• 800℃まで維持される高強度
• ニッケル超合金より低い密度40%
• 優れた耐クリープ性
• 優れた耐酸化性と耐食性
• 戦略的材料リスクを伴わない耐火金属の代替
• 粉末冶金によるニアネットシェイプ製造
• コンポーネントはより高い温度で動作可能
• タービンブレードなどの回転部品の軽量化
• 高い運転パラメーターによる効率の向上

機械的特性、低密度、熱安定性のユニークなバランスにより、Ti3Alは次世代の航空宇宙、自動車、発電システムを可能にする材料となっている。

Ti3Al粉末の限界

その長所にもかかわらず、Ti3Alには欠点もある：

• 室温では脆いが、500℃を超えると延性が向上する。
• 製造と機械加工は難しい
• 400℃以下での急速な特性低下
• 原材料費と加工費が非常に高い
• サプライチェーンが限られており、生産者が少ない
• コンポーネントの設計には、専門的なエンジニアリングの専門知識が必要
• 従来の技術では溶接や接合は困難
• リサイクルや再利用が難しい

Ti3Alは、製造とコストの問題から、現在に至るまで広く商業的に採用されるには至っていない。しかし、Ti3Alの能力は、合金化学、粉末品質、部品設計の改善を通じて、これらの制約を克服するための開発努力を続けている。

Ti3Al粉末の展望

Ti3Alは、そのため航空宇宙、自動車、産業用ガスタービン、発電の各分野で用途が拡大すると予想される：

• ジェットエンジンの燃料効率と低排出ガスに対する需要の高まり
• 電動ターボチャージャーに求められる高温材料
• 成長する積層造形技術市場
• レアアースと耐火性金属の戦略的材料代替に注力
• 製造生産性の向上によるコスト削減

自動車および産業用市場は価格に敏感で、既存の合金と比較してコスト・パフォーマンスの優位性を実証する必要がある。航空宇宙分野は、最大限の性能に対して割高な価格を支払うことをより厭わない。

米国、EU、日本の政府主導により、Ti3Al粉末製造、部品製造、接合方法、合金開発に関する研究開発が加速している。これによって応用分野が拡大し、採用率が高まるだろう。

よくある質問

Q: Ti3Al粉末は何に使われるのですか？

A: Ti3Al粉末は、タービンブレード、ターボチャージャーホイール、熱交換器など、500～800℃で作動する高温部品の製造に使用されます。高強度、低密度、優れた耐酸化性の優れたバランスを提供します。

Q: Ti3Al粉末はどのように作られるのですか？

A: 一般的な製造方法には、ガスアトマイズ、プラズマアトマイズ、電極誘導溶解ガスアトマイズ（EIGA）、メカニカルアロイングなどがあります。各プロセスでは、特定の用途に適した異なる粉末特性が得られます。

Q: Ti3Al粉末はインコネル718より優れていますか？

A: Ti3Alは密度が低いため、インコネル718よりも軽量化が可能です。700℃以上の温度でより高い強度を発揮します。しかし、Ti3Alの室温での延性はかなり低く、一方インコネル718は加工が容易です。

Q: Ti3Al粉末の価格はいくらですか？

A: Ti3Al粉末の価格は1kgあたり$450-750程度で、ニッケル超合金の5倍近く、チタンやアルミニウム粉末の10倍以上です。高価なのは、複雑な加工と限られた市場需要によるものです。

Q: Ti3Al粉末はどのように取り扱われ、保管されるのですか？

A: 他の反応性合金粉末と同様に、Ti3Alも不活性ガスによるブランケットと湿気を含まない保管が必要です。セラミック製、ガラス製、ステンレス製の容器のみを使用すること。安全注意事項には、接地、換気、呼吸器PPEが含まれる。

Q:Ti3Al粉末を使用する上での課題は何ですか？

A: 主な限界は、室温での延性が低いこと、材料費が高いこと、供給元が限られていること、機械加工・組立が難しいこと、接合技術がないことである。商業利用の拡大には、合金の改良、プロセス開発、部品設計の最適化が必要である。

Q: Ti3Al粉末の今後の見通しは？

A: Ti3Al粉末の用途は、航空宇宙エンジン、自動車用ターボチャージャー、高温産業用途で大きく成長すると予測されています。コストを下げ、特性を改善し、製造を成熟させる取り組みによって、より広範な採用が可能になるでしょう。