固溶強化を利用した高強度チタン合金の特性－焼結材から積層造形材・溶解鋳造法材への展開－

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①Ti+O2 ：O2 gasとなり金属Tiから脱出［基準］②Ti+TiO2 ： TiO2粒子は分解せずにα-Tiに残存③Ti(O) ：固溶O原子としてTi結晶内に存在焼結過程でのTiO2粒子の分解➠ α-Ti結晶内のO固溶原子が安定

Difference electron densities of α-Ti[hcp] (a) and Ti-O (b) analyzed byFirst Principle Calculation
Yellow & Blue colors; Increase anddecrease of D.E.D in α-Ti crystal

4Ti+O2 ：O2 gasとなり金属Tiから脱出［基準］
Ti+TiO2 ：分解せずにTiO2粒子が残存
Ti(O) ：固溶O原子としてTi結晶内に存在（八面体・四面体格子間，置換サイト）(0001)底面間の拡張（c軸方向への伸張）

T=0 K

安定サイト：
八面体格子間（Octa）

大きなエネルギー差（＞1 eV）（1 eV=原子の10,000Kでの熱エネルギー）
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T-TiO2 反応温度（TiO2分解➡酸素原子のα-Tiへの固溶）➠ T≧800℃

Pre-mixed Ti-5mass%TiO2
H.T temp; 873~1273 K
H.T time; 1hr (in vac.)

60.47100.29850.47050.29800.4700Δc=5.04×10-4 nm/at.%

0.29750.46950.29700.46900.29650.46850.29600.46800.29550.46750.2950Lattice constant in c-axis, c /nm

Lattice constant in a-axis, a /nm

0.29900.46700.01.02.0

3.0

Oxygen content, cO (at.%)7

(O content in wt.%)(a) 0%TiO2 (0.156wt.%)(b) 0.5%TiO2 (0.351wt.%)(c) 1%TiO2 (0.526wt.%)(d) 1.5%TiO2 (0.706wt.%)

N; 0.015~0.016%, H; 0.006~0.008%

0.156wt.% O ➡ 0%TiO20.526wt.% O ➡ 1%TiO20.351wt.% O ➡ 0.5%TiO2 0.706wt.% O ➡ 1.5%TiO2
B. Chen, J. Shen, X. Ye, J. Umeda, K. Kondoh: Advanced mechanical properties of powder
metallurgy commercially pure titanium with a high oxygen concentration, Journal of Material
Research, 32, 19, (2017) 3769-3776, DOI:10.1557/jmr.2017.338.
8結晶異方性α-Ti ?

B. Chen, J. Shen, X. Ye, J. Umeda, K. Kondoh:
Advanced mechanical properties of powder
metallurgy commercially pure titanium with ahigh oxygen concentration, Journal of Material
Research, 32 19 (2017) 3769-3776.
9変数
引張試験結果よりΔσ YS と固溶量cの相関データベースを作成➡Fm値導出*1 SFはEBSD解析値を利用*2 結晶粒微細化の影響も除去

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Δσ YS と固溶量cの相関データベース作成➡Fm値導出*1 SFはEBSD解析値を利用，*2 結晶粒微細化の影響除去

Ti-O

Ti-N

(𝐹 𝑤/4𝐺𝑏)1/3 = 4.17×103(𝐹 𝑤/4𝐺𝑏)1/3 = 3.29×103

S. Kariya, M. Fukuo, J. Umeda, K. Kondoh: Quantitative analysis on light elements solution
strengthening in pure titanium sintered materials by Labusch model using experimental data,Materials Transactions, 60 2 (2019) 263-268.

11混合粉末（純Ti+TiO2+TiN） ➡ Ti(O, N)焼結材 ➡ 熱間押出加工&H.T@1100℃※ 基準材; Ti-0.60O-0.07N（YS; 445 MPa）

*Y. Kobayashi et al., J. Soc. Mater. Sci. Jpn, 54 (2005) 66.

Labusch model:
S. Kariya et al., Mater. Trans., 60 (2019) 263.

12 窒素固溶Ti材へのフェムト秒レーザ照射による溶融部の硬さ変化➡非溶融部（N固溶領域）と差異無し➠N固溶状態を維持できる？

Molten pool bylaser irradiation

 SLM法における急冷凝固現象（凝固速度； 105 ~106 K/s）*1*1 Jingjing Yang, et al., Formation and control of martensite in Ti-6Al-4V alloy

produced by selective laser melting, Materials and Design, 108 (2016) 308-318.
13

粉末供給
ステージ

積層造形
ステージ

トルンプ株式会社製TruPring 1000

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15

Ti-2.0%TiO2

Ti-O
Ti-1.5%TiO2

Ti-1.0%TiO2
Ti-0.5%TiO2

Ti-N

Ti-0.5%N
Ti-0.3%N
Ti-0.2%N
Ti-0.1%N
Pure Ti

Pure Ti
Ti-0.7%N16

① Core-Shell Ti(0.99%N) powder(H.T @650℃-7.2 ks)② Pre-mixed pure Ti powder and
C-S Ti(0.99%N) to control
N content; 0.1 ~ 0.7 wt%③ SLMed Ti(N) materials- Laser power ; 160 W- Scanning speed ; 535 mm/s
- Hatch distance ; 110 µm- Layer thickness ; 20 µm- Laser spot ; 30 µm- Scan pattern; Chessboard

O; 0.16 wt.%, N; 0.99 wt.%

D50=24.5 μm

Ti2N

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α-Ti(0002)

Intensity (a.u.)

SLM Ti-N materials
α-Ti(0002)

α-Ti(10-10)

Ti2N
Ti-0.5%N

Ti-0.5%N
Ti-0.3%N

Ti-0.3%N
Pure Ti

Pure Ti

Diffraction angle, 2θ/ °18

α-Ti(10-10)

Ti2N
Ti-0.5%N
Ti-0.3%N
Pure Ti

Diffraction angle, 2θ/ °Lattice constant in a-axis

Lattice constant in a-axis (Å)α-Ti(0002)

Lattice constant in c-axis (Å)

Intensity (a.u.)

SLM Ti-N materials

Nitrogen content (wt%)
19入熱量; 83.3 J/mm320 窒素固溶量の増加に伴い，針状α-Ti粒の微細化が進行
 窒素量~0.1%では入熱量の減少により微細粒化が促進

入熱量; 83.3 J/mm321

 Ti-0.01%N：L➠β→α相変態（急速冷却） Ti-0.31%N：L➠β→α+β→α相変態
初析α相によるβ→α相の粒成長抑制
 入熱量増加➠冷却速度低下➡粒成長
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Tensile strength, σ / MPa

Strain rate; 5×10-4 /s

Ti-0.5%N
Ti-0.3%N
Ti-0.2%N
Ti-0.1%N

Pure Ti
Ti-0.7%N

Strain, ε23主たる強化因子： [1] O/N固溶強化＋[2] 結晶粒微細化強化*ΔσYS; Difference in yield stress (σYS)
between Ti-O/N materials and pure Ti**σYS[ss] = σSS[Ti-x%O]－ σSS[pure Ti]

H-P経験式 ∆𝜎𝑘 𝑑 ⁄𝑑⁄k ： H-P係数（k = 18 MPa/mm-1/2）∆𝜎185.0 𝑀𝑃𝑎

ΔσYS－σYS[ss] at N=0.3% ＝ 176.6 MPa
241. 酸素固溶強化α-Ti焼結材の特性① 実験解析－組織構造と力学特性② 理論計算－酸素固溶サイトの同定
2. 酸素固溶強化α-Ti積層造形材の特性
3. 加工熱処理による酸素含有Ti鋳造材の特性
4. その他（Ti-Zr-O系）

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Ti-0.21～0.96 mass% O 鋳造材
Cast Ti-0.59%O

Ti-0.21, 0.42, 0.59, 0.82, 0.96 wt% O(東邦チタニウム㈱にて試作)

O100 μm

Cast Ti-O materials0.4%26

Ti-0.59% O鋳造材

Ti-0.59% O押出材

100 μm*1 鋳造材 ➡ 均質化熱処理@800℃-24h ➡ 押出加工@1100℃(r=36)27

1. 酸素固溶強化α-Ti焼結材の特性① 実験解析－組織構造と力学特性② 理論計算－酸素固溶サイトの同定
2. 酸素固溶強化α-Ti積層造形材の特性
3. 加工熱処理による酸素含有Ti鋳造材の特性
4. その他（Ti-Zr-O系）

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溶解鋳造法（~2000℃+α）

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