現在位置: ホーム お知らせ お知らせ(自然科学系) 軽量高強度構造用材料チタン合金の強度を左右する添加レアメタル近傍の原子移動モデルを解明 -チタン合金の高強度化・コストダウンに期待-

軽量高強度構造用材料チタン合金の強度を左右する添加レアメタル近傍の原子移動モデルを解明 -チタン合金の高強度化・コストダウンに期待-

・ある元素近傍の原子配列を可視化できる蛍光X線ホログラフィーをチタン合金に適用
・添加レアメタル原子の周りの原子配列が従来説と異なることを発見しました
・今後、チタン合金に添加するレアメタルに応じて、その近傍の原子配列を明らかにすることにより、最も効果的・経済的なレアメタルの選択と添加量を設定できます
・チタン合金の更なる高強度化とコストダウン化に大きな貢献が期待できる。またチタン合金の用途の広がりや複数の特徴を有するチタン合金の開発の糸口にもなりえます

 国立大学法人宇都宮大学 山本 篤史郎 准教授、国立大学法人名古屋工業大学大学院 林 好一 教授を中心とする研究グループは、公立大学法人広島市立大学、国立大学法人熊本大学、公益財団法人高輝度光科学研究センターとの共同研究により、チタン合金※1)を製造する際に添加されるレアメタル※2)近傍の原子移動モデルを解明し,チタン合金の更なる高強度化とコストダウンに資する合金設計の新たな指針となる知見を得ました。

 チタン合金は鉄鋼材料と比べて、比重が約半分、強度が同程度であるため、航空機において高い荷重がかかる部品に採用される動きが広がっています。また、生体適合性が高いため、眼鏡フレームや人工骨などにも用いられています。チタン合金には結晶構造の異なる相が主に2種類あり、α相とβ相※3)と呼ばれています。このうち、β相は結晶構造が体心立方構造で、高強度でありながら機械加工しやすい特徴があり、β相を含むチタン合金の利用が近年急速に広がっています。 β相を含むチタン合金を作製するためには、ニオブ、タンタル、バナジウムなどの高価なレアメタルを添加した上で様々な熱処理を行う必要があります。しかし、その熱処理によってチタン合金の強度を低下させて加工性を劣化させる微細なナノ相(ω相※4))も同時に生じます。したがって、必要最小限のレアメタル添加量でチタン合金中のω相の生成を抑制すると同時に、β相の割合を最大化できれば、低コストで優れた軽量高強度構造用材料を実用化できます。
 チタン合金に添加するレアメタルはこれまで経験的に選択されており、どのレアメタルが最もβ相を生じさせる能力があるかわかっていませんでした。本研究では、チタンとレアメタルの一種であるニオブの2種類の元素からなるチタン合金中に含まれるニオブ原子の周囲の原子配列を、蛍光X線ホログラフィー※5)と呼ばれる原子配列を三次元可視化できる手法を用いて調査しました。その結果、β相中はもちろん、ω相中でさえニオブの周囲はβ相の原子配列に近いことを発見しました。これにより、ニオブを添加することによって、チタン合金中のβ相の割合が増加する効果が、原子配列の観点から実証されました。
 今後、チタン合金に添加されることの多いその他のレアメタルについても同じ実験を行うことにより、レアメタルが持つβ相増大効果を比較できるようになり、最適な軽量高強度チタン合金の開発に貢献するものと期待されます。

 本研究成果は、平成29年4月28日に、金属材料学で最も権威のある雑誌Acta Materialiaにオンライン掲載されました。
(URL:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645417302434

【用語説明】
(*1)チタン合金
 チタン合金の密度は鉄鋼材料の約半分で軽金属に分類されます。鉄鋼が錆びやすいのに対し、チタン合金は錆びにくい特徴があり、航空機、沿岸部の建造物などに使うのに適しています。また、金属アレルギーを起こす人が少ないので、外科手術で用いる人工骨などにも用いられています。
(*2)レアメタル
 地球上で人類が利用できる資源は地表付近のごく限られた深さまでに埋もれています。我々が主に用いている構造材料に含まれる金属元素のうち、地表に多く含まれるものを多い順に並べると、アルミニウム、鉄、そして、チタンです。それ以外の金属元素のうち、特に含有量が低いものをレアメタルと呼びます。レアメタルは「金属材料のスパイス」と言うべき元素で、ごく微量を添加するだけで金属材料の性能を飛躍的に向上させます。ただし、レアメタルは産地が世界的に限られているため国際的な獲得競争が激しくなっています。
(*3)β相
 純度が100%のチタンは室温でα相と呼ばれる六方最密充填構造(HCP)に原子が配列しています。同じ原子配列(結晶構造)をもつチタン合金は機械加工が難しいため工業的に扱いにくい材料です。一方、チタンを882℃以上の高温に加熱すると体心立方構造(BCC)に原子が配列したβ相となります。β相のチタン合金は機械加工が容易です。このβ相のチタン合金を室温で利用できるようにするために、レアメタルを加えたり、特殊な熱処理を行ったりする必要があります。
(なお、α相やβ相が指す結晶構造は金属の種類によって異なります。例えば鉄のα相は体心立方構造です。)
(*4)ω相
 β相のチタン合金に特殊な熱処理を行うと、原子配列の一部が一定の法則に従って、ごく短時間に集団で僅かに場所を移動します。原子の集団移動が生じたナノメートル級の微小領域はβ相とは異なる原子配列になっているため、ω相と呼んでいます。この微小なω相が含まれることで、本来は高温でのみ存在し得るβ相を室温でも使えるようになります。一方、ω相は機械加工性が低いので、チタン合金の大部分がβ相であってもその機械加工性を大きく低下させます。したがって、チタン合金中のβ相に含まれるω相を用途に応じて最適な割合にすることが必要です。
 (*5)蛍光X線ホログラフィー
 通常の写真とは異なり、ホログラフィーは物体の立体像を記録・再生することのできる技術です。偽造防止のため、一万円札やクレジットカードに印刷してあり、社会にも広く普及している技術です。原理について下図に示しますが、通常の光学ホログラフィーの場合には、レーザーなどの干渉性の良い光源を用い、ある散乱物(下図ではハート)に照射します。その散乱物によって光は散乱され物体波となります。物体波の位相(波の山・谷の位置に関する情報)は、散乱体の奥行きに関する情報が含まれていますが、物体波そのものを観測しただけでは、位相の情報は失われてしまいます。ホログラフィーでは位相を記録するために、光源から出る光(参照波)を物体波と干渉させます。その干渉パターンを記録したものがホログラムとなります。散乱物を再生させる場合には、再生光をホログラムの反対側から当てれば良いのです。

【タイトル】Local atomic structure near an Nb atom in aged β–Ti alloys
【著者名】T. Yamamoto1, K. Hayashi2, N. Happo3, S. Hosokawa4, H. Tajiri5
【所属】1宇都宮大学,2名古屋工業大学,3広島市立大学,4熊本大学,5高輝度光科学研究センター
【doi】10.1016/j.actamat.2017.03.048
【掲載誌】Acta Materialia

【詳細】プレスリリース本文(PDF 814KB)

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国立大学法人熊本大学先端科学研究部
担当:教授 細川 伸也
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