おそらく接触するのは、チタン毎日、-携帯電話のフレーム、メガネのフレーム、歯科インプラント、さらにはあなたが乗っている自転車にも影響を及ぼします。しかし、この一見「よそよそしい」金属が 10 個の驚くべき物理的および機械的特性を持っていることをご存じないかもしれません。深海の深さから月の表面、航空機のエンジンから人間の骨格に至るまで、-チタンがこれほど遍在している理由は何ですか?今日はそれを詳しく説明します。
I. 低密度、高比強度: 軽量でありながら堅牢です。
チタンの密度は 4.51 g/cm3 ですが、これは鋼の 57% にすぎません-半分より少し強-、アルミニウムの 2 倍未満です。それでいて強度はアルミニウムの3倍。これはどういう意味ですか？チタン合金の比強度（強度を密度で割った値）は、一般的に使用されている工業用合金の中で最も高く、ステンレス鋼の3.5倍、アルミニウム合金の1.3倍、マグネシウム合金の1.7倍です。言い換えれば、同じ重量であれば、チタン合金は他の金属をはるかに上回る荷重に耐えることができます。この特性は航空宇宙分野では「絶対に必要」です。現在、チタン合金は C919 大型旅客機の構造重量の 9.3% を占めており、各航空機には約 7 トンのチタンが使用されています。チタンは、胴体の外板からエンジンのパイロンの留め具に至るまで、いたるところに使用されています。業界データによると、航空宇宙分野における中国の高級チタン材料市場は 2025 年までに 240 億元に達すると予測されており、これは C919 の量産増加が中心的な推進力の 1 つであり、前年比 9.1% の増加に相当します。-エンジン部門では、国産「太行」エンジンのチタン合金使用率が２５％に達し、米国のＦ１００エンジンに匹敵する。
II.優れた耐食性:
海水中の「不滅」金属であるチタンの耐食性は、表面にある目に見えない「鎧」-の緻密な酸化膜（TiO₂）によるものです。この膜は酸化媒体中で特に安定です。海水、湿った塩素ガス、亜塩素酸塩、硝酸、クロム酸、有機酸などの環境下でも、-普通鋼を急速に錆びさせる原因になります-。チタンはほとんど無傷です。
Ⅲ．優れた耐熱性：
500 度でも機能 アルミニウム合金は 150 度で「奮闘」し始め、ステンレス鋼は 310 度で本質的に「力を失い」ますが、チタン合金は約 500 度でも良好な機械的特性を維持できます。航空機が音速の 2.7 倍に達すると、機体の表面温度は 230 度に達することがあります。アルミニウム-マグネシウム合金はこの温度では使用できなくなりますが、チタン合金はこの温度に簡単に対応できます。このため、航空機エンジンのコンプレッサーのディスク、ブレード、胴体後部外板に理想的な材料となります。国内で開発された Ti65 高温-チタン合金は、最大 650 度の長期使用温度を持ち、現在の鍛造チタン合金の中で最高の-温度-耐性グレードです。最も広く使用されているチタン合金である GR5 (Ti-6Al-4V) は、400 度以下でも強度の 80% 以上を維持し、航空宇宙産業の重要な部品の 90% 以上を占めます。
IV.優れた低温パフォーマンス:{1}
液体水素の温度でも「がっかり」しません。ほとんどの金属は極低温環境ではガラスと同じくらい脆くなりますが、特定のチタン合金はこの傾向に反して、温度が低下すると強度が増加しますが、延性はわずかに低下するだけであり、低温でも良好な延性と靭性を維持できます。{1}}
V. 非磁性-: 潜水艦の「透明マント」チタンは、透磁率がわずか 1.00005 の常磁性材料であり、磁場内では事実上「見えません」。この特性により、チタン合金は潜水艦の船体に理想的な素材となっています。-磁気機雷を誘発したり、船舶の精密航行機器に干渉したりすることはありません。
VI.低い熱伝導率：デメリットをメリットに変える。チタンの熱伝導率はわずか約 17 W/(m・K) です。-鋼の 5 分の 1-、アルミニウムの 13 分の 1、銅の 1{6}}20-5 分の 1 です。熱伝導率が低いことは機械加工において問題となります。-熱が切削工具に蓄積しやすくなり、工具の摩耗が促進されます。ただし、特定のシナリオでは、これが実際に利点となります。チタンは熱伝導率が低いため、特定の化学処理装置の断熱コンポーネントなど、断熱や熱損失の低減が必要な用途に優れています。同時に、チタン合金熱交換器の熱伝導率は銅よりも低いですが、スパイラル-巻き構造とマイクロ-およびナノ-表面処理により、熱伝達係数は800〜1,200 W/(m²・度)に達します。優れた耐食性と組み合わせることで、塩素アルカリの製造や海水淡水化などの腐食性の高い環境において、従来の装置よりもはるかに優れた全体的なコストパフォーマンス比を実現します。-
VII.低い弾性率: 剛性の半分、独自の価値-チタンの弾性率は約 108 GPa で、鉄のわずか 55%、鋼の約半分です。構造材料として、弾性率が低いということは剛性が低く、変形しやすいことを意味するため、細いロッドや薄壁のコンポーネントを製造する場合には特別な注意が必要です。-
Ⅷ.引張強さと降伏強さはほぼ同じであり、事実上「妥協なし」です。 GR5 (Ti-6Al-4V) を例にとると、焼きなまし状態での引張強さは約 960 MPa、降伏強さは約 892 MPa で、その差はわずか 68 MPa です。対照的に、18-8 ステンレス鋼の引張強さは 608 MPa、降伏強さは 294 MPa にすぎず、その差は 300 MPa 以上あります。
降伏強度が引張強度に近づくほど、工学設計における塑性変形の開始と破壊の間の「バッファ ゾーン」が小さくなります。これにより、チタン合金部品の耐荷重能力をより十分に活用できるようになり、材料が限界に達する前に変形が始まるという厄介な状況を回避できます。{0}}積層造形技術はこの利点をさらに高めます。電子ビーム溶解 (EBM) によって製造された GR5 試験片は、11.1% の伸びを維持しながら、最大 1,120 MPa の降伏強度と 1,209 MPa の引張強度を達成できます。
IX.高温では酸化しやすい:「慎重な取り扱い」が必要-チタンは、酸素、窒素、水素に対して非常に強い親和力を持っています。高温では、チタンはこれらのガス状元素を急速に吸収し、表面硬化層 (「層」) が形成され、可塑性が低下します。したがって、チタン溶接はアルゴンシールド下で実行する必要があります。チタンのチューブや薄いシートは真空中で熱処理する必要があります。チタン鍛造品の熱処理には、穏やかな酸化性雰囲気を厳密に制御する必要があります。水素はチタンの「最大の敵」です-チタンが水素を吸収すると、水素脆化が発生し、遅れ破壊につながります。工業的には、真空アニール (約 700 度) によって水素含有量を除去することで、この問題に対処しています。深海の高圧環境では、水素脆化に対する耐性が材料選択の重要な基準となります。 Ti80 や Ti180 などの海軍用途向けに特別に設計されたチタン合金は、30 MPa の深海の圧力下でも水素による亀裂が発生しないことが要求されます。-
10. 低減衰: 余韻が残る秘密-まったく同じ形状とサイズの銅、鋼、チタンのベルを同じ力で叩くと、チタンのベルが最も長く持続する音を生み出します。-これは、チタンの内部損失と減衰が低いためです。-打撃によって与えられたエネルギーは、材料内の微細なメカニズムを通じて容易に消散しません。
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