熱間塑性加工過程での相変態を利用した高強靭性純チタン材の創製
大阪大学 接合科学研究所 複合化機構学分野
教授
近藤 勝義（平成 25 年度一般研究開発助成 AF-2013027）
キーワード：チタン，β相安定化元素，水素化チタン化合物
１．研究の目的と背景組織が形成される．その後，試料の冷却過程においてα相を生チタンは高い比強度に加えて，優れた耐腐食性や生体親和性成するが，ここでチタンの相変態（β→α）による結晶構造変を有することから近年では，航空機用部品の他に化学プラント

化は Burgers の格子方位関係（{110}β // {0001}α，<111>β //や医療デバイスなどへの利用も増えている．他方，高強度化に<11-20>α）に従うことが知られており 8-10)，この結晶方位に関す資する合金元素として，バナジウムやニオブ，タンタルなど希る幾何学的拘束の結果，得られた押出加工材には<0001>α 集合

少金属を多く含むことから，素材コストの上昇や生体親和性の組織が形成される．このような特異集合組織の形成は，熱間押低下なども問題視されている．これまでに本研究者らは，希少出加工時に水素が β 相安定化因子として作用することで，チタ金属を一切使用せずに，資源的に豊富な元素群のみを用いたチンの β-transus 温度が低下し，結果として β 単相域からの加工タン材の高強度・高延性化を達成すべく，粉末冶金プロセスをが安定化することに起因していると考えられる．そして，α用いた固溶強化型チタン焼結材に関する研究を行っている 1~5)．

-Ti(hcp)結晶において高ヤング率を示す結晶配向性<0001>11-13)

例えば，α-Ti(hcp)は酸素や窒素に対して大きな固溶限を有するが優先的に形成できると考えられる 8,14)．その結果，α-Ti 材にことを利用し，各原子の侵入型固溶現象により結晶格子が c 軸方おける引張耐力の増加が期待できる．しかしながら，多くの金向に拡張することで歪の導入・増加によって強度が増大するこ属において水素を含有することで脆化を誘発することが知られとを明らかにした．一方，加工熱処理を用いてβ相の形成と微ている 15,16)．チタンにおいても水素の固溶限が約 0.002 mass%

細組織制御によりチタン合金の高強度化を可能とする材料設計以下と極めて小さいため，脆性な水素化物（TiH2/δ相）の生成においては，β相の安定化元素の存在が重要となる．例えば，によりチタン材の延性低下が生じる 17)．

汎用チタン合金の一つである Ti-64（Ti-6wt%Al-4wt%V）では，そこで本研究では，微量の水素を含むチタン焼結材をβ相温バナジウムがその役割を担うが，上述の通り，希少金属ゆえに度域にて加熱した状態で熱間押出加工を施した後，β→α相変他の元素選択が望ましい．そこで，資源的に豊富な元素の中で態を利用した特異な集合組織形成を実証した上で，それによるβ相安定化に有効な候補元素として水素と鉄が挙げられる．鉄

力学特性の向上機構について詳細な組織解析を通じて明らかにはチタンの耐腐食性の低下を誘発する可能性があるため，ここする．さらに，<0001>集合組織を有するα-Ti 焼結材において，では水素に着目し，図１の Ti-H 平衡状態図 6,7) に基づいて熱間微量の水素に起因する脆性な水素化物相を有効活用し，障害物塑性加工と相変態の関係について述べる．

として組織中に均一微細分散させることにより変形双晶の進展抑制を通じてα-Ti 焼結材全体としての延性向上を試みる．

２．研究方法（試料作製および特性解析）
水素を含む純 Ti 焼結材を作製すべく，供試粉末（出発原料）として水素化チタン粉末（TiH2，平均粒子径 21.9µm）を用いた．
これは水素化・脱水素化法により純 Ti 粉末を製造する際の中間素材原料である．特に，水素化合物であるため，大気中においても酸化し難いことから粉末として取り扱う上で安全性に優れることが特徴である．TiH2 粉末の化学成分(wt%)は H: 3.4~4%,O: 0.13%, N: 0.02%, Fe:0.03%, Ti:残部である．本研究では，Ti焼結材中の水素含有量を調整すべく，TiH2 粉末成形体の熱分解
図１ 水素（β安定化元素）を微量含む純チタンにおける温度変化に伴う相変態と集合組織形成機構の相関模式図

挙動に基づいて熱処理温度を設定した 18)．熱分解特性の解析においては，示差熱・熱重量分析装置を用いて標準試料 Al2O3，昇温速度 20 K/min としてアルゴンガス雰囲気中で分析を行った．

先ず，体心立方（bcc）構造を有するβ相チタンに押出加工を次に 2000kN 油圧駆動式成形機を用いて，室温にて供試粉末に施した場合，塑性変形過程での結晶回転に起因して<110>β 集合対して圧力 600 MPa を負荷して直径φ41 mm，質量約 160 g

の円柱状圧粉成形体を作製した．成形体には横型雰囲気管状炉

高温での脱水素化・焼結熱処理を施すことで水素含有量が最もを用いて保持時間 10.8 ks，Ar ガス流量 3 L/min の条件の下，低減した H-1273(c)は，一般的な純チタン押出加工材と同じ α脱水素化同時焼結熱処理を施した．熱処理温度は上述した熱分相等軸粒および<10-10>α 集合組織を呈しており，機械的特性に解特性の調査結果に基づき，TiH2 の分解が終了する付近の 1073

関しても JIS 4 種純チタン材の要求性能を満足した値であった

K，1173 K，1273 K の 3 水準とした 18)．得られた焼結体に対し．
（0.2%YS：523 MPa，UTS：702 MPa，破断伸び：27.1%）て，予備加熱温度 1073 K，押出比 27.9 の条件下で熱間押出加他方，低温での脱水素化・焼結熱処理によって，比較的多量の工を施した．得られた水素含有 Ti 焼結押出材（熱処理温度の違残留水素を含有した H-1173(b)および H-1073(a)は，それぞれ押いにより試料名を H-1073/1173/1273 と記す）に対して，X 線回出方向と平行に繊維状に配列した B(basal) / T(transverse)

折による相同定，光学顕微鏡を用いた組織観察および-texture，および六方晶格子の c 軸が押出方向と平行に配列した

SEM-EBSD/OIM による結晶方位解析をそれぞれ実施した．な<0001>α 集合組織を有し，いずれも 2～3 µm 程度の微細な結晶

EBSD 解析試料はチタン用電解研磨液（95wt.%酢酸＋5wt.%
お，粒組織を呈した．この結果，H-1173 では結晶粒微細化によって，過塩素酸）を用いた電解研磨法（直流電源電圧 20 V，通電時間H-1273 と比較すると 0.2%YS は 26 MPa 増加した．本材料の90～180 s）によって作製した．力学特性に関しては，押出方向結晶粒微細化は，Ti-H 系状態図が示すように β 相安定化元素でに沿って試験片（平行部直径φ3 mm，同長さ 20 mm）を採取

ある水素の影響によって，熱間押出加工時に一定量の β 相が生し，ひずみ速度 5.0×10-4 /s のもと常温にて引張試験を行った．

成し，その β 相と α 相が押出加工材内部で繊維状に配列する

また，各押出加工材における酸素，窒素，水素，炭素の各含有ことで，互いの結晶粒成長を抑制したものと考えられる．

量を 3 回分析し，それらの平均値を用いた．

次に，微量の水素含有による組織構造変化がチタン焼結押出材の機械的性質に及ぼす影響を定量的に解析すべく，ヤング率

３．研究成果（実験結果および考察）
各試料の水素および酸素含有量を測定した結果，H-1073－
0.33 wt.%[H]，0.34 wt.%[O]，H-1173－0.15 wt.%[H]，0.32

測定と常温引張試験による各種力学特性を評価した．先ず，自由共振式弾性率測定装置による H-1073～1273 押出材のヤング率測定結果を図３に示す．

wt.%[O]，H-1273－0.067 wt.%[H]，0.32 wt.%[O]であった．また，窒素量<0.01wt%，炭素量<0.01wt%と純チタン(JIS grade-4)の規格値を満足する結果であった．次に，各試料の光学顕微鏡による組織観察結果（写真の左右方向が押出方向に一致）とSEM-EBSD/OIM による結晶方位解析結果を図２に示す．

図３ 異なる水素量を有するチタン粉末焼結押出材におけるヤング率（自由共振式弾性率測定法による）
H-1173 および H-1273 押出材においては，図２に示したように両試料ともに逆極点図の L 方向観察面における底面｛0001｝配向および T 方向観察面における柱面｛10-10｝配向を特徴とした〈10-10〉集合組織を呈した．その結果，ヤング率は基本的に等しく 106～107 GPa を有しており，一般に報告されている純 Ti材（JIS 1,3 種）の値（105～107 GPa）10)と良く一致した．一方，これらと比較すると，H-1073 押出材は明らかな高弾性特性を示しており，ヤング率は 122 GPa となった．ここで，チタン等の六方晶格子においては，その結晶配列の異方性に起因してヤング率が変化し，具体的には，応力負荷方向と六方晶格子 c軸との角度差が小さいほど，高いヤング率を示すことが知られている 8,9)．したがって，H-1073 押出材(a)において，六方晶格子の c 軸が押出（引張）方向と平行に配列した〈0001〉集合組
図２ 異なる水素量を有するチタン粉末焼結押出材の光学顕微鏡組織と EBSD による集合組織観察結果（逆極点図）織を形成することによりこの原子配列異方性が顕著に発現した結果，引張方向でのヤング率が向上したと考える．

なお，引張強度特性に関しては，水素含有量との相関性をよ

高強度化の主要因としては，①酸素による固溶強化，②結晶粒り詳細に解析すべく，熱処理温度を低温側は 973K に，高温側微細化，③集合組織強化（高ヤング率化）の 3 つが挙げられるは 1323K として試料を追加作製した．各押出材の引張強度特性が，前述の通り，両者のヤング率はほぼ等しく，またその酸素と焼結温度の関係を図４(a)に，H-1073/1173/1273 押出材の引張含有量も同じ（0.32 mass%）であることから，上述の強度増加試験における応力－歪曲線を同図(b)にそれぞれ示す．先ず，破は，光学組織および SEM-EBSD/OIM 観察においても指摘され断伸びに関して，最も多くのチタン水素化物（δ-TiHX）相を含た結晶粒微細化（②）によるものであると結論付けられる．加む H-973 押出材を除き，全ての試料で約 25%以上という構造材えて，強化機構が結晶粒微細化であったことから，高強度化を料として十分な延性が確認された．これは，純チタン粉末を原達成しつつも，H-1273 押出材と同等以上の高い延性が維持され料として作製した一般的な純チタン粉末押出加工材と同等の性た．最後に，H-1073 押出材に注目すると，応力－歪曲線から著能である．次に，0.2%耐力（0.2%YS）と最大引張強さ（UTS）しい高強度化が確認でき，純チタンでありながら，0.2%YS：725に注目すると，焼結温度が 1073 K 以下と 1123 K 以上においてMPa，UTS：959 MPa，破断伸び：27.6%といった優れた引張特性が大きく変化しており，具体的には，前者の UTS は後者に強度特性を示した．これには，結晶粒微細化（②）に加えて，比べて約 200 MPa 高くなっている．この傾向は，組織構造の観

前述のヤング率測定結果から強い集合組織形成（③）の大きな点からは前出の光学顕微鏡組織観察結果と，また力学的には上寄与が考えられる．さらに，本試料においては著しい強度増加述のヤング率測定結果と対応している．にも関わらず，延性の低下が見られないことから，高強度・高延性・高弾性純チタン材における材料設計原理の一つであるチタン水素化物（δ-TiHX）相を利用した変形双晶の抑制機構が発現し，それが有効に機能していると期待できる．そこで，高強度化と高延性化のそれぞれに対して，上記の寄与因子に基づく詳細な定量解析を行うことで，H-1073 押出材における高強度・高延性化機構を解明する．具体的には，高強度化（強化機構）に関して，他の高強度化要因である酸素固溶強化および結晶粒微細化の影響を除去した上で，ヤング率の増大と強度（0.2%YS）
増加との関係を調査し，その寄与率を明らかにする．次に，高延性化に関しては，押出加工材の破断伸びに及ぼす水素化物の析出量，すなわち水素含有量の影響を定量評価し，各試料の破断内部組織解析と併せて，水素化物相を利用した変形双晶の粗大化抑制機構，および水素化物そのものの変形挙動についても引張応力を負荷しながらのその場直接観察手法を用いて定量的に検証する．
先ず，本研究における高強度化の主要因としては前述の通り，①酸素による固溶強化，②結晶粒微細化，③集合組織強化（高ヤング率化）の 3 つが挙げられる．そこで，H-1073 押出材における集合組織強化（③）に着目した強化機構の定量解析に先立ち，他の高強度化要因である酸素固溶強化（①）および結晶粒微細化 19,20)（②）の影響を除去することを考える．まず，

図４ 脱水素化熱処温度の違いによるチタン粉末押出材の引張強さ（UTS/0.2%YS）と破断伸びの関係(a)ならびに H-1073/1173/1273 押出材の応力-歪曲線

酸素固溶強化について，H-1273 押出材（酸素含有量：0.32mass%）を基準とすると，H-1073 押出材の酸素含有量は 0.34mass%と微増した．これによる 0.2%YS 増加量（Δσ0.2(O)）を，Labusch limit に基づく固溶強化理論 21,22)を用いて算出し，そこで，この力学挙動変化の要因を詳細に明らかにすべく，Δσ0.2(O) = 15 MPa を得た．なお，H-1173 押出材の酸素含有量

H-1073/1173/1273 押出材を対象に強化機構に関して考察を行

基準のH-1273 押出材に等しいことから，は0.32 mass%であり，その特性値は0.2%う．
図４(b)中のH-1273 押出材に注目すると，

Δσ0.2(O) = 0 MPa となる．次に，結晶粒微細化について，先と同YS：523 MPa，UTS：702 MPa，破断伸び：27.1%となり，JIS様に H-1273 押出材を基準とすると，H-1173 押出材における結（0.2%YS：≧485 MPa，UTS：550～750 MPa，4 種純Ti 材の特性晶粒微細化の寄与（Δσ0.2(G)）は，前項での考察より Δσ0.2(G) = 26

破断伸び：≧15%）を満足する．また，H-1173 押出材は 0.2%YS：MPa と算出できる．ここで，H-1173 押出材と H-1073 押出材

549 MPa，UTS：740 MPa，破断伸び：29.2%なる特性を示し，の結晶粒径が，ともに 2～3 µm 程度と概ね等しいことから本研

ここで，先の H-1273 押出材と比較すると強度増加が認められた．

究では，H-1073 押出材の Δσ0.2(G)を，H-1173 押出材と同じ 26

MPa と見積もることとした．以上の数値と 0.2%YS の差を考え機構に関する考察を補完する上で必須であるといえる．

H-1073 押出材における集合組織強化の寄与（Δσ0.2(T)）
ることで，先ず，上述した H-1073 押出材（水素量: 0.33 wt.%，酸素量:は，Δσ0.2(T) = 161 MPa と計算できる．この結果について高ヤン0.34 wt.%）を対象に，本試料から採取した板状引張試験片を用グ率化の観点から考察すべく，H-1073 押出材と H-1173 押出材

その過程での同一観察
いて SEM 内で実施した引張試験を行い，の中間的位置付けの試料として，113 GPa のヤング率を有する箇所における組織構造変化について SEM によるその場観察を

H-1073-873 押出材（TiH2 粉末ベース 1073 K 焼結 873 K 押出行った．得られた応力－歪曲線と組織変化を図６に示す．なお，加工材）を作製し，組織および力学特性を調査した．H-1073-873

両図の A～E は対応しており，各点毎に試験機を一時停止させ押出材は，H-1073 押出材と同等の水素を含有するものの，押出て SEM 観察を行った．また，SEM 観察結果に白く見える領域加工温度を低く設定したことから，H-1073 押出材と比較するとが水素化物相 δ-TiHX，黒色領域がα-Ti 母相である．

β 相の安定化度合いが低く，結果的にヤング率もやや小さな値を示した．また，結晶粒径は約 2 µm で H-1073 および H-1173
押出材とほぼ同じであり，酸素量は 0.34 mass%で H-1073 押出UTS：847 MPa，材と等しく，引張強度特性は 0.2%YS：619 MPa，破断伸び：29.9%となった．ここで，本材に対しても先の減算処理を適用し，集合組織強化の寄与を計算したところ，Δσ0.2(T) =55 MPa を得た．これらの結果から H-1073 押出材と H-873 押出材，H-1073 と H-1173 押出材における集合組織強化由来の強化量（耐力値の差 Δσ0.2(T)）と各試料のヤング率の関係を図５に整理した．両者の間には線形性が認められ，強い集合組織形成による強化量はヤング率の増加と強い正の相関を示した．このようにチタンの強度とヤング率が正の線形関係を示すことは既往研究でも報告されており 23)，本研究の H-1073 押出材においても〈0001〉集合組織の形成による高ヤング率化に基づいて強度増加が生じることを実証した．

図６ 水素化合物を有するチタン焼結押出材のSEM 内引張試験過程での針状化合物相での変形双晶の進展抑制
先ず，降伏点近傍の B では，弾性変形が主であることから，組織は基本的に変形前の A と同一であり，{10-12}α 変形双晶は見られなかった．続いて，変形が進み塑性変形領域に入った C
においては，三角印で示した 2 箇所に変形双晶の発生が確認できた．さらに，塑性変形が進んだ D～E においては，これら 2つの変形双晶が成長してその筋状の凹凸がより鮮明になると同時に，新たな変形双晶の発生も確認された．しかしながら，試験片が破断する E まで変形させても，水素化物で挟まれた母相領域を超えて変形双晶が進展することは無く，その粗大化が水素化物の障害によって抑制されている様子が明瞭に観察された．

図５ 水素の微量含有により異なる集合組織を有する
チタン焼結押出材のヤング率と 0.2%耐力値の相関

他方，H-1073 焼結押出材を 1073K×10.8ks の追加熱処理することで水素含有量を 0.0039wt.%[H]に低減した後，同様に引張他方，比較的低温で熱処理を施した試料においては，10～試験を行った際の{10-12}α 変形双晶の進展状況を図７に示す．本

15vol%程度のチタン水素化物（δ-TiHX）が分散しており，チタ追加熱処理によって<0001>α 集合組織は維持されており，変形ン焼結押出材の引張変形挙動を議論する際，その脆性なる特性

双晶は2 つ以上のα-Ti 結晶粒を分断・貫通している様子が判る．

がチタン焼結材全体の延性に対する影響を解明する必要があり，また，その際の破断伸びは 10.8%に低下しており，これらの変同時に水素化物そのものの変形能の影響についても考察する必

形双晶が多数発生し，曲種的な変形を誘発したことが要因と考要がある．一般に，チタン水素化物は脆弱であり，これが要因えられる．以上の結果を踏まえると，H-1073 焼結押出材の高延となって「水素化物脆化」を誘発することが知られているが，性発現機構に関しては，これまで引張試験前後での組織比較か一方で，水素化物は最大 9~16%程度の歪みを伴うような塑性変らα-Ti 結晶粒を分断するように析出した水素化物相 δ-TiHX が形挙動を示すとの報告もある 24)．本研究にて作製した試料にお<0001>α 集合組織において発生し易くなった{10-12}α 変形双晶

いてもチタン水素化物が多量に含まれており，仮にそれらが脆の進展を抑制し，双晶の高密度化による局所的な変形を分散・弱であれば，H-1073 押出材も低い破断伸びを示す．従って，チ回避することで試料全体において均一な一様変形が生じ，そのタン水素化物の変形挙動を理解することは，前述の高延性発現結果，高い伸び値を示したと結論付けられる．

量に関しては，引張試験過程で計測した歪み量（△）と化合物近傍での素地の変化率（▲）をそれぞれ算出し，引張試験過程での時間変化（A～E）に対応してプロットした．その際，上記と の平均値を水素化合物相の変形率とし，チタン素地の変形率との相関データとして図 10 に併せて示す．

図７ 水素量 0.0039wt.%を含むチタン焼結材の引張試験における{10-12}α 変形双晶のα-Ti 粒内での進展状況
次に，チタン水素化物の塑性変形能に関して，引張応力負荷時中のチタン焼結材内に分散する水素化物の変形挙動の直接観察および変形量の定量解析を行うべく，上記と同様に H-1073
押出材を対象に SEM 内引張試験機でのその場観察を実施した．
得られた応力－歪曲線および試験中の SEM 組織観察結果を図８に示す．なお，同曲線と組織観察結果に示す記号 A～E はそれぞれ対応しており，各点毎に試験機を一時停止して観察を行った．また，引張方向は SEM 画像の水平方向と一致しており，組織中に白く見えている部分が水素化物，黒く見えている領域がチタン素地にそれぞれ対応している．

図９ SEM内引張試験過程における水素化合物相の変形率と Ti 素地の変形率の時間変化に関する測定結果
図８ 水素化合物相を含むチタン焼結押出材を用いたSEM
内引張試験過程でのその場観察における化合物相の塑性変形挙動の観察結果
引張荷重負荷前の A から試験片破断後の E までを連続的に見ると，引張変形の進行に伴って水素化物の幅が徐々に減少して引き絞られていく様子が確認できる．またこの間，水素化物および水素化物とチタン素地の界面において，亀裂や剥離などが生じていないこともわかる．これらの結果は，本試料中の水素化物がチタン素地と同程度の塑性変形能を有することを示唆する．
そこで，上記の変形挙動を定量化すべく，図９に示すように試験片の引張方向に対して平行（ ， ）および垂直（ ）方向での針状水素化合物相の長さと厚みの変化率，１つの針状化合物に着目した際の長さの変化率（ ），さらに Ti 素地の変形

図 10 引張試験過程での針状水素化合物相の変形歪量とチタン素地全体の変形歪み量の相関データ

引張試験過程での層状の水素化合物相全体の変形率（ ， ）とそれを構成する１つの針状化合物の変形率（ ）はほぼ一致していることから化合物間でのすべり現象が生じていないといえる．また，引張試験でのマクロな変形歪量と化合物近傍の Ti素地の歪量はほぼ同等の値を有しており，局所的な塑性変形は生じていないと考えられる．他方，水素化合物と Ti 素地の変形歪量を比較したところ，図 10 に見るように直線関係を有しており，絶対値も一致していることから水素化合物相は Ti 素地の変形に伴って 20%程度の範囲では亀裂や破壊を生じることなく，十分な塑性変形能を有するといえる．このように従前より脆性と考えられていた水素化チタン化合物は，純チタンが塑性変形する範囲内において，局所変形に耐え得る十分な塑性変形能を有しており，延性的に振る舞うことが明らかとなった．よって，
H-1073 押出材中に分散する水素化物相は，この延性的振舞いにより素材全体の延性に影響を及ぼすことはないと考える．

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４．結論
本研究では，β相安定化元素を含むチタン焼結材において，β→α相変態過程での特異な集合組織の形成による優れた力学特性の発現機構の解明を目的に，β相安定化に寄与する水素を含む TiH2 粉末を出発原料とし，相変態挙動の解明とヤング率および引張強さへの影響を調査した．また水素化チタン化合物相の存在によるチタン焼結材の延性に及ぼす影響を解明すべく，SEM 内引張試験による変形挙動解析を実施した．そして，これらの組織構造・力学特性調査を通じて，微量水素を含むチタン焼結材の高強靭化機構を解明した．先ず，1173 K および 1073 Kでの低温脱水素化・焼結熱処理により，比較的多量の残留水素を含有した H-1173 および H-1073 焼結押出材は，熱間押出加工
時に相構成が変化し，結晶方位の幾何学的拘束（Burgers の格子方位関係）を受けることで，それぞれ押出方向と平行に繊維状に配列した B/T-texture，つまり六方晶格子の c 軸が押出方向と平行に配列した高ヤング率を有する<0001>α 集合組織を有し，いずれも 2～3 µm 程度の微細な結晶粒組織を呈した．このような特異な集合組織は β 相安定化因子である水素がチタンのβ-transus 温度を低下させ，β 単相域（H-1073）もしくは α+β共存域（H-1173）状態が熱間押出加工過程でも安定的に保持されることで形成されることを明らかにした．他方，引張荷重が付与された際，α-Ti 結晶粒を分断するように析出・分散する水素化物相が{10-12}α 変形双晶の進展を抑制し，双晶の高密度化による局所的な変形を分散することで試料全体において一様変形が生じることを検証した．さらに，脆性と考えられてきた水素化チタン化合物相は局所変形に耐え得る十分な塑性変形能を有しており，延性的に振る舞うことを明らかにした．

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謝 辞
発助成によるものであり，ここに付記して深く謝意を表します．

J

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本研究の一部は，財団法人天田財団の平成 25 年度一般研究開

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