チタン

チタンは軽量で強度と耐食性に優れた生体親和性の高い金属です。装置や自動車などの、より高い性能を求められる場面で利用されます。

チタンの特徴

強度が高い: 純チタンは六方最密充填の結晶構造により原子間の結合が強く、引張強度に優れた金属です。他の金属元素を添加したチタン合金は、さらに強度に優れた材質です。比強度はステンレス鋼の3倍の高さで、体積あたりの強度にも優れています。

軽い: チタンは軽量で比強度に優れた金属です。構造物や部品の重量を削減しながら、必要な強度や耐久性を確保することができます。特に重量削減が重要な航空機や宇宙船などの航空宇宙産業では、限られたスペースで強度を確保する素材として重宝されています。

耐食性が高い: チタン表面に形成される酸化皮膜は薄く密着しており、酸素と反応して不溶性の酸化物層を形成します。この酸化物層は外部の腐食性環境から保護し、腐食や錆びを防ぎます。さらに塩水・酸・アルカリなどの腐食性物質に対しても長期間に渡り耐性を発揮します。

熱伝導率が低い: チタン合金は熱伝導率が約7.5W/m・Kと低く、熱の移動が起きにくい金属です。同じく熱伝導率が低いステンレス鋼の半分程度で、気温の低い環境に置いた状態でも、冷たさを感じにくい特徴があります。切削時の熱が逃げにくいため、工具の摩耗を早めます。

生体親和性が高い: チタン合金には毒性がなく、金属アレルギーも引き起こしにくいため医療機器や人体に埋め込む器具にも使用されます。骨と結合しても拒否反応を起こさないという金属の中でも稀有な特徴を持っています。食器などの日用品の材質としても利用できます。

難削材: 強度が高く、熱伝導率が低いことから難削材に分類されます。加工難易度は一般的な金属よりも高いです。化学的に活性であるため、切削熱が発生しやすく切削工具の摩耗が早くなります。加工時間の増加・切削工具の消耗により加工費が高くなります。

チタンの種類

純チタン

純度が高く、主にチタンと極少量の不純物で構成されています。純チタンは耐食性があり、軽量で加工性も良いため、一般的な工業・医療用途に広く使用されています。

α-チタン合金

主にα相の結晶構造を持つチタン合金です。アルミニウムやバナジウムなどの安定化元素が添加されています。α-チタン合金は強度と耐食性が高く、航空機や自動車の構造部品、医療用インプラントなどに使用されます。

β-チタン合金

主にβ相の結晶構造を持つチタン合金です。モリブデンやニオブなどの安定化元素が添加されています。β-チタン合金は高い強度、耐熱性、加工性を持ち、航空宇宙産業やスポーツ用具などの分野で使用されます。

α-βチタン合金

α相とβ相の両方の結晶構造を持つチタン合金です。アルミニウムやバナジウム、モリブデンなどの安定化元素が組み合わされます。α-βチタン合金は高い強度、耐食性、熱耐性を兼ね備え、航空機部品や自動車部品、医療機器などに広く使用されます。

耐熱チタン合金

高温環境での耐久性が求められる用途向けに開発されたチタン合金です。ニオブやモリブデン、タングステンなどの高温強化元素が添加されます。これらの合金はガスタービンエンジン、ジェットエンジン、原子力発電所などの高温環境での利用に適しています。

バイオチタン合金

医療用途に特化したチタン合金です。生体適合性があり、骨や歯のインプラント、人工関節、歯科用具などに使用されます。一般的なバイオチタン合金には、Ti-6Al-4V ELI（Extra Low Interstitial）などがあります。

チタンの用途

航空宇宙産業

《フラップシステム》
航空機主翼の揚力と抗力を制御するために取り付けられる可動部品で、離着陸時や低速飛行時に使用されます。軽量性と強度に加え、高い疲労強度や耐食性も要求されるため、航空宇宙産業では信頼性の高いチタン合金が選択されることがあります。
《エンジン部品》
チタン合金は高温・腐食環境に耐える性質があり、エンジン内部、ジェットエンジンのタービンブレード、タービンディスク、コンプレッサーブレードなどの高温部品に使用されます。

海洋土木

《海上橋脚》
海上橋脚は、海上構造物を支える役割を果たします。チタン合金は耐水性、強度、軽量性、耐環境性などの特性があり、海上橋脚に適しています。また、耐食性に優れているため海水との長期的な接触に耐えることができます。さらに、強度が高く軽量なため、橋脚の設計や耐久性を向上させることができ、メンテナンスが難しい環境下でも安定した性能を維持します。これらの特性により、海上橋脚の信頼性と寿命を高めるためにチタン合金が使用されることがあります。