J. JILM

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研究部会紹介チタンの準安定相・析出相研究部会
Research sectional meeting on metastable and precipitation phases oftitanium and its alloys
成島尚之 *・小林千悟 **・上田正人 ***Takayuki NARUSHIMA*, Sengo KOBAYASHI** and Masato UEDA***
表 1 委員構成（敬称略）

1. 研究部会発足の背景と目的
チタンおよびチタン合金（以降，チタン）は，高比強度，高耐食性，優れた生体適合性などのユニークな特性を有する軽金属材料である。航空機，熱交換器，自動車，電極材，眼鏡フレームなどの民生品，生体用インプラントなどへ応用され，今後ますますの適用分野拡大と用途開発が期待されてい1）る 。チタンが発現する特性の多くは同素変態の存在，高活性に関連している。同素変態の存在は加工熱処理による材料組織制御を通した広範な力学特性の達成を可能とする。活性の高さは多彩な合金設計を可能とし，耐食性の向上にも寄与する。一方で，準安定相を含めたチタンの相変態は複雑であり不明な部分も多い。そして，チタンの高活性は還元と高純度化を難しいものとし，製造プロセスコストを押し上げる。
平成 26 年に軽金属学会研究委員会でチタン研究部会発足のための課題抽出 WG が立ち上がり，上述したチタンの課題やチタンのテクノロジー・サイエンスロードマップなどを踏まえ議論を重ねた。その結果，「基礎的であり共同テーマとして適当であること」と「幅広い応用分野に関係していること」から，チタンの準安定相と析出相に焦点を絞ることとし，表記題目の研究部会を立ち上げるに至った。他学協会で行われているチタン関連の研究会，例えば，日本鉄鋼協会チタン自主フォーラム「エネルギー関連構造・機能チタン材料」（平成 28 年度より「超高耐久性チタン材料の研究（シーズ探索）」）や日本金属学会研究会「チタン製造プロセスと材料機能研究会」との関係も考慮した。
部会の目的は軽金属学会ホームページでも公開されているとおり，「準安定相・析出相が形成される機構解明，微細組織および諸特性との関係に関する実験的研究，準安定相・析出相形成予測に関する計算材料学的研究を行い，準安定相・析出相制御を通しての耐熱性および力学特性に優れた低コストチタン合金の設計と製造プロセス構築の可能性を検討す
2）る」と設定した 。
活動期間は平成 27 年度から平成 31 年度の 4 年間とした。
具体的な活動内容は以下の 4 点である。
（1）準安定相・析出相形成と物理的・機械的・化学的特性との関係を明らかにする。
（2）低コストチタン合金における準安定相・析出相形成挙

氏名

所属

新家 光雄
池田 勝彦
木下 和宏
小林 千悟
上田 正人
仲井 正昭
佐原 亮二
上杉 徳照
御手洗容子
成島 尚之

名城大学，東北大，大阪大，名古屋大
関西大学
一般社団法人日本チタン協会
愛媛大学
関西大学
近畿大学
物質・材料研究機構
大阪府立大学
物質・材料研究機構
東北大学

逸見
高林
山出株式会社神戸製鋼所
大同特殊鋼株式会社
新日鐵住金株式会社

義男
宏之
善章

備考

副部会長
幹事部会長動を把握する。
（3）準安定相・析出相を利用した組織制御法を提案する。
（4）準安定相・析出相形成予測手法を確立する。

2. 委員の構成
本研究部会の委員構成を表 1 に示す。構成は学側から 9 名，日本チタン協会から 1 名，企業 3 社，㈱神戸製鋼所，大同特殊鋼㈱，新日鐵住金㈱，から各 1 名，総勢 13 名である。学側は実験系の研究者 7 名に加えて，第一原理計算の専門家で，チタンへの適用に実績のある研究者 2 名にも参画いただいた。研究部会の活動にあたっては，日本チタン協会の協力が不可欠であることから，日本チタン協会 木下企画部部長にも参画をお願いした。参加企業はいずれもチタンメーカーである。自動車や重工関連チタンユーザー企業やスポンジメーカーの本研究部会参加をお願いする次第である。

3. これまでの活動
本研究部会では年 3 回の研究会を行っている。これまでの2 年間の活動内容を以下に示す。なお，特に断りのない限り合金組成は mass% 表示である。
3. 1 初年度（平成 27 年度）
初年度の目標は以下のとおりとした。
（a）チタン合金中の準安定相・析出相形成に及ぼす元素機* 東北大学工学研究科（〒980–8579 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6–6–02） Graduate School of Engineering, Tohoku University (6–6–02 AzaAoba, Aramaki, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi 980–8579)** 愛媛大学理工学研究科（松山市） Graduate School of Science and Engineering, Ehime University (Matsuyama-shi, Ehime)*** 関西大学化学生命工学部（吹田市） Faculty of Chemistry, Materials and Bioengineering, Kansai University (Suita-shi, Osaka)
受付日：平成 29 年 5 月 15 日

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図 1 チタン研究部会におけるグループ分け（敬称略）
能に関する研究動向の調査を行い，理解と共通認識を深めるとともに，次年度以降の実施項目の詳細を決定する。
（b）準安定相・析出相形成に関する実験的研究と計算材料学的研究の整合性の現状を把握する。
第 1 回研究会では，部会活動を開始するにあたり，対象とする合金系に関する検討を行った。「低コストチタン合金の設計」との観点から，スポンジチタンの主要な不純物元素である酸素に着目することとなった。酸素の元素機能把握は B級スポンジやスクラップなどの低廉原料の有効利用を可能とすることが期待できる。さらに，β相安定化元素としてはチタンのβ相に全率固溶し，それ自身もチタンと同様に大きな3）
酸素溶解度と酸素との高い親和力を有する V および Nb を選択した。Ti–V 系や Ti–Nb 系合金では力学特性や準安定相の4）, 5）挙動が比較的よく知られていることも選択の理由の一つである。すなわち，本研究部会では Ti–V–O 系および Ti–Nb–O 系合金を対象とすることを決定した。酸素濃度は 1 mass%程度をまずは上限とした。
第 2 回研究会では，池田部会員に「チタン合金の諸特性に及ぼす酸素添加の影響」，上杉部会員に「チタンの計算材料科学に関する研究」に関するレビュー講演をお願いし，実験系および計算系の現状認識を深めた。加えて，研究活動のためのグループ分けを行った（図 1）。β相安定化元素を幅広く変化させることで，α型，near α型，near β型およびβ型の Ti–V–O 系および Ti–Nb–O 系合金を取り扱うこととした。幅広い合金組成を取り扱うことから共通試料の使用は断念した。
第 3 回研究会では，各グループから 2 年目以降の研究計画を報告した。α型・α+β型グループは，Ti–V–O 合金系およびTi–Nb–O 系合金の組織と力学特性に加えて高温酸化などの化学的特性も評価に含めること，β型グループは，Ti–V–O 系合金の熱処理と Ti–Nb–O 系合金の変形挙動から研究を開始すること，計算グループは第一原理計算による Ti–V 系およびTi–Nb 系合金のα, α , β, ω 相の相安定性に及ぼす酸素添加の影響の解明を目標とすること，が確認された。
3. 2 2 年目（平成 28 年度）
2 年目の目標は以下のとおりとした。
（a）Ti–V–O 系および Ti–Nb–O 系合金中の準安定相・析出相形成を把握するとともに，特性との関係解明を試みる。
（b）準安定相・析出相形成に及ぼす V および Nb 添加の影
響を計算材料学的観点から検討する。

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前年同様に 3 回の研究会を行った。各グループで得られた成果の概要は以下のとおりである。
α型・α+β型グループ
・α+β 型（near α 型）Ti–4V–0.6O 合金におけるα 形成が強度・延性バランスに及ぼす影響を明らかにした。
・α+β 型（near β 型）Ti–10.6 V–（0, 0.3, 1.0）O 合 金 に お け
る時効に伴う硬さ変化をα およびα 相のスピノーダル分解の観点から説明した。
・α 型 Ti–1V–1O および Ti–1Nb–1O 合金の 1023 K 大気酸化に伴う質量変化を測定し，酸素添加が酸化速度に及ぼす影響を明らかにした。
β型グループ・β 型 Ti–20V–（0, 0.3, 0.7）O 合金の熱処理に伴う組織変化を調査し，酸素が熱的ω相および非熱的ω形成に及ぼす影響を明らかにした。
・β 型 Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr 合金の熱的ω 相の安定性に及ぼす酸素添加の効果を 3D アトムプローブ分析により明らかにした。
計算グループ・SQS モ デ ル を 用 い て Ti–X（X=V, Nb, Mo, Al, Zr, Cr, Fe,Co）系の相安定性とヤング率を評価した。
・Ti–V 系および Ti–N 系合金における酸素添加の効果を第一原理計算による相（ω, α , α, β）安定性の観点から評価した。

4. 今後の活動
これまでの 2 年間の活動を踏まえ，3 年目の目標を以下のとおり設定した。
（a）準安定相・析出相の観点から Ti–V–O 系および Ti–Nb–O 系合金組織制御方法の確立を試みる。
（b）Ti–V 系および Ti–Nb 系合金の準安定相・析出相形成に及ぼす酸素添加の影響を計算材料学的観点から検討し，実験結果との整合性を調査する。
3 年目は各合金系における組織制御手法を確立するとともに，本研究部会の特徴である実験系と計算系の融合を図り，最終年度のまとめにつなげたいと考えている。特に Ti–V–O 系および Ti–Nb–O 系におけるω相の安定性に及ぼす酸素の効果を実験的および計算材料学的に整合性を持って解明することができれば，学術的・工業的に大きな成果になると思われる。
学側と産側の複数の研究者がオープンな形式で一つの研究テーマに関して議論する場は，チタンに関しては他学協会でも少ない。成果を積み重ねることで，チタン研究部会の存在をアピールしたいと考えている。今後も，軽金属学会研究委員会でのアドバイスを反映しつつ，日本チタン協会産学連携委員会，日本鉄鋼協会チタン自主フォーラム，日本金属学会チタン研究会と密接な連絡をとりつつ研究を遂行する予定である。
参考文献

山出善章，北河久和，小池 麿：軽金属，67（2017），126–135.
http://www.jilm.or.jp/society/images/contents/228/ti.pdf
成島尚之：チタン，61（2013），126–131.
M. Ikeda, S. Komatsu, T. Sugimoto and K. Kamei: J. Japan Inst. Met.,
54 (1990), 743–751.
5) D. Kuroda, M. Niinomi, M. Morinaga, Y. Kato and T. Yashiro: Mater.
Sci. Eng. A, 243 (1998), 244–249.

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