砥粒加工学会誌

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航空機の発達とその構造材料の変遷（第４回）
Ｃ－ＡＳＴＥＣ

中澤隆吉／中菱エンジニアリング

伊原木幹成

工業化されたのはこのような産業基盤の整備が必要で４．２ チタンの工業化
チタンは地球上では正確には二酸化チタン(TiO2)，一あったためです．

般的には単に酸化チタン呼ぶ酸化物の形で存在し，そ1937 年に発明されたクロール法の最も特徴的なのはの鉱石はルチルと呼ばれています．しかし，ルチルの埋四塩化チタンをマグネシウムで還元することです．クロ

蔵量は少なく，現在はイルメナイトと呼ばれる鉱石が主ールは，1938 年にはこの方法で作成したチタンの試料に使用されています．イルメナイトは酸化チタンと酸化鉄を持って米国企業にチタンの売り込みに出かけていまの混合した鉱石で，酸化チタンの含有量が低く，チタンすが，当時はまだチタンの工業的な需要が無く，成果を濃縮する必要があります．そのために，酸により鉄を溶は得られていません．1940 年にクロールはヨーロッパの出除去して作った合成ルチルか，あるいは石炭と一緒に戦火を逃れてベルギーから米国に移住しました．1945

電気炉内で加熱して，銑鉄とチタンスラグに分離して得年になって米国鉱山局がチタンの製造に乗り出し，特られるチタンスラグのどちらかがチタンの原料となります．

許を持っているクロールを招聘したことからチタンの生チタンもアルミニウムと同様に酸素との結合力が強く，産に関与することになります．第二次世界大戦終了後

金属チタンを得ることが難しい元素で，工業化されたのの冷戦構造の中で兵器の性能が重視されるようになると，は 20 世紀の半ば頃でした．チタンの精錬法としてはベ軽量高強度のチタンが有力な構造材料として認められルギー人のウィリアム・J・クロールが開発したクロール法ました．1948 年頃から米国でチタンの工業的な製造がが使用されています．これはチタン原料を加熱して，塩広がり，生産量が急拡大します．

素ガスで処理して四塩化チタンを得たあと，さらに高温

このようにチタンの工業化は第二次世界大戦終結後で液化マグネシウムと反応させて金属チタンを得る方法

で，それまでの飛行機にはチタンは使用されていませです．この時，四塩化チタンから塩素が抜けて多孔質のん．レシプロエンジン時代の飛行機は構造材料としてチチタンの塊が残ります．無数の穴があいたように見える

タンを必要としなかったとも言えます．しかし，ジェット機ので，スポンジチタンと呼ばれます．このスポンジチタン時代になると，エンジン周りの温度も上昇し，200℃までを粉砕した後プレスで圧縮して棒状にし，真空中で消しか使用できないアルミニウム合金では耐熱性が不足し，耗電極式アーク溶解によりチタン地金を得ます．図 11

もっと耐熱性の良い材料が必要になりました．チタンがにスポンジチタンと粉砕後のチタンの外観を示します．

無ければステンレス鋼になりますが，耐熱性が十分過ぎ，アルミニウムも電気分解で製造しますが，チタンの精錬さらに比重が大きくて重量増加が著しく，歓迎されませでも，電力は必須で，更に真空技術も重要です．これはん．チタンは飛行機の設計では通常 450℃迄使用可能

20 世紀になって工業的に利用できるようになった技術とされており，そのうえステンレス鋼よりも大幅に比重がであり，アルミニウムやチタンが 20 世紀になってやっと小さいので，飛行機の構造の軽量化に寄与します．それで主に軍用機のエンジン周辺にチタン合金が多量に使用されています．強度もアルミニウム合金の 2 倍以上を示すため，アルミニウム合金では静強度／疲労強度が心配される重要な部位には，強度は十分ながら比重の大きな低合金鋼に代わって軽量なチタン合金が使用されています．高力アルミニウム合金がレシプロエンジンを搭載した飛行機の発達と歩調を合わせてその構造材料として発達したように，チタン合金もガスタービンエ

スポンジチタン

破砕後のチタン

図 11 金属チタン

10)

ンジンを搭載したジェット機の発達とともに工業化され発展した金属材料といえます．

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チタンは機体構造用材料としても使用されますが，ガ軍用機ではチタン合金の使用割合が増加しており，民スタービンエンジン用材料としても使用されています．

間旅客機においてもチタン合金の割合は増加傾向にあ1900 年初頭の頃，チタンは電球のフィラメントに使用すりました．

るために精錬方法が電気会社で研究されていました．

ボーイング社の旅客機を例として民間旅客機の構造それまでは純度の高い金属チタンが得られず，チタン材料の変化を見たのが図 12 です．B747 及び B777 はの特性が明らかにされていなかったので，非常に高い20 世紀に設計された機体で，B787 は 21 世紀になって融点をもっており，耐熱材用として使用できると誤解され設計された機体です．B747 はアルミニウム合金が 81%ていたからです．1910 年にニュージーランド人のマシュを占めており，アルミニウム合金の箱であるといっても過ー・アルベルト・ハンターが米国で高温高圧容器中で四言ではありません．B747 が設計された時，チタン合金は塩化チタンをナトリウムにより還元して 99.9%の純チタンそれ程工業化されていなかったため，チタン合金の使を得て，ハンター法と呼ばれるチタン精錬技術を確立し用比率は 4%と低くなっています．20 世紀の最後に設計ましたが，ナトリウムの反応が爆発的で工業的な大量生された B777 でもアルミニウム合金は 70%を占め，最も使産には向いていませんでした．しかし，ここで得られたチ用されている材料です．しかし，二番目に多く使用されタンの物性測定により，チタンの融点がほぼ鉄と同様でている材料は，同じ比率の鉄鋼材料と複合材料です．

あることが判明し，電球フィラメントへの応用は諦められ

B747 では複合材料は金属材料に比べて非常に少なく，ました．チタンの融点は 1668℃です．

アルミニウム合金，鉄鋼材料，チタン合金に次いで 4 番

ガスタービンエンジンは，前段の圧縮器で空気（酸目の使用比率でしたが，B777 では複合材料の使用比素）を圧縮して高濃度にし，後段の燃焼器でジェット燃率が大幅に高くなり，2 番目の使用量になっています．

料と混合して燃焼させ，タービンを高速回転させます．

これはアルミニウム合金が複合材料に置換えられているチタンの溶融温度が鉄並みに低いため，燃焼器のターと見られます．チタン合金の使用比率は 7%と B747 からビンにチタンを使用することはできません．一方，圧縮は大幅に増加しています．これはチタン合金の開発が機は，温度が低いので当初はアルミニウム合金が使用進み，価格も下がったので，安価だが重量的に不利なされていましたが，エンジンの出力，効率を高めるため鉄鋼材料を価格が許す範囲内で軽量なチタン合金にに圧縮率が高くなるに従って圧縮機の温度が上昇し，置換えて重量を削減したことによると考えられます．
その他 1複合材料 1チタン合金 4

アルミニウム合金では耐えられなくなりました．そこで，

その他 5

現在のジェット機用ガスタービンエンジンの圧縮機はチ

アルミニウム合金
20

鉄鋼材料
13

タン合金製のブレードが使用されてジェット機用ガスタービンエンジンの高性能化に大きく寄与しています．

アルミニウム合金
81

チタン合金は先に述べた様に工業化が始まって未だ一世紀も経っていない若い金属材料で，アルミニウム合

747

金のように化学成分を登録して固有の番号を割り振る
要添加元素とその公称含有量を示す数字を組み合わチタン合金15

その他 1複合材料
11787

チタン合金
7

鉄鋼材料
11

仕組みが確立していないため，現在の処，則物的に主鉄鋼材料
10

複合材料
50

アルミニウム合金70

せて固有の公称合金名称として使用しています．例え777ば，飛行機の構造材料用チタン合金として現在最も多図 12 ボーイング民間旅客機の構造材料比率 13)

用されているのは Ti-6Al-4V 合金です．これは，チタンに 6%の Al と 4%の V を添加した合金です．その他に化学成分の規格上は微量添加元素や不純物元素が規定されていますが，合金名を示す場合は省略されます．この Ti-6Al-4V 合金は更に Ti-6-4 合金と数字のみで表されることもあります．チタン合金の種類は，参考書 11)や日本チタン協会のホームページ 12)をご覧ください．
４．３ アルミニウム合金の落日
第 2 次世界大戦では機体用構造材料はアルミニウム合金が主体でしたが，ジェット機の時代が到来して以降，48

参考文献10)

東邦チタニウム株式会社ホーム・ページ:
www.toho-titanium.co.jp/11) 例えば:金属チタンとその応用，日刊工業新聞社,（1983）.
12) 一般社団法人日本チタン協会ホームページ:
www.titan-japan.com
13) 中澤隆吉，伊原木幹成：航空機におけるアルミニウム合金の利用の概況と今後, JFA, 45, (2014)17．
注：本連載は6回に分けて掲載されております．項目，図番および参考文献は第1回から連続しています．

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