チタン合金
72.1_113、NAID 110001491121 pp. 113–122
木村 啓造、1970、「最近のチタンおよびチタン合金」、『日本金属学会会報』9巻10号、日本金属学会、doi:10.2320/materia1962.9.620 pp. 620–638
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成島 尚之、2005、「生体材料としてのチタンおよびチタン合金」、『軽金属』55巻11号、軽金属学会、doi:10.2464/jilm.55.561 pp. 561–565
新家 光雄、2004、「チタンおよびチタン合金の最近の応用と研究・開発動向」、『鉄と鋼』90巻7号、日本鉄鋼協会、doi:10.2355/tetsutohagane1955.90.7_462 pp. 462–471
稲垣 育宏・武智 勉・白井 善久・有安 望、2013、「航空機用チタンの適用状況と今後の課題」、『新日鉄住金技報』(396)、新日鐵住金 pp. 23–28
工業用純チタンを含め、その軽量・高強度・耐腐食性を利用してチタン合金は航空機用途に広く使用される。チタン合金と航空機の繋がりは深く、「チタン合金は航空機の発展とともに開発され、適用が拡大してきたと言っても過言ではない」と評される。軍用機も民間機も、ともにチタン合金の適用は広い。重量で計算して、F-15戦闘機では約 25 %、F-22戦闘機では約 40 % がチタン合金製となっている。民間機では、コストのため軍用機ほどは適用拡大は進んでいない。温度 600 °C 以下のターボファンエンジン前半部にあるファンや圧縮機でチタン合金が使われている。その他、ランディングギア、パイロン、コクピットの窓枠、ボルト類などで使用されている。近年の民間航空機では炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の適用が拡大しているが、CFRP とのガルバニック腐食が起きにくい、CFRP との熱膨張差が小さいなどの利点をチタンは持っている。このため、CFRP の適用拡大に合わせてチタン合金の適用も拡大している。
チタン材料は優れた生体適合性を持つため、強度が必要な整形外科用の材料として利用されている。強度が必要となる人工関節や骨折固定器具などのために、1970年代より Ti-6Al-4V 合金が使用されている。さらに、人体に影響のあるバナジウム(V)溶出の可能性を完全に排するために、バナジウムを含まない Ti-6Al-7Nb 合金なども開発され利用されている。人工歯根用には工業用純チタンの使用率が多いが、Ti-6Al-4V 合金も使われている。
ゴルフクラブにもチタン合金が使われており、チタンを最も使用しているスポーツはゴルフといわれる。特にヘッドにチタン合金を使用した1番ウッド(ドライバー)は、1990年に初めて販売されて以降、数多く市販されている。
前述のとおり、純チタンは常温では α 相を持ち、同素変態温度 885 °C 以上では β 相を持つ。ここに合金元素を加えると、変態温度が変化したり、α 相と β 相が同居する α+β 相が現れたりするようになる。アルミニウム、酸素、窒素、炭素を添加すると、α 相を安定させるように働く。変態温度を上昇させて、α 相の存在領域を広げる。そのため、これらの合金元素は α 相安定化元素と呼ばれる。一方、モリブデン、バナジウム、ニオブ、鉄、クロム、ニッケルを添加すると β 相を安定させるように働き、これらの合金元素は β 相安定化元素と呼ばれる。β 相安定化元素は変態温度を低下させて、β 相の存在領域を広げる。スズ、ハフニウム、ジルコニウムは中性的元素と呼ばれ、変態温度にあまり影響を与えない。
チタンと各添加元素との二成分系平衡状態図は、「全率固溶型」「α 相安定型」「β 相安定型」「β 共析型」の4つの典型に分けられる。
各国の工業規格において、チタンおよびチタン合金に関する規格が定められている。アメリカおよびヨーロッパでは軍事用・航空機用として耐熱や高強度を達成するチタン材料を開発して来たため、チタン材料に関連する規格の中でもチタン合金に関するものが主となっている。特に、アメリカのASTM規格で制定された種類のチタン合金は、世界的にも広く活用されている。アメリカの金属材料識別番号システムであるUNS番号では、およそ100種類のチタン合金が登録されている。一方、日本では、軍事用・航空機用ではなく、その耐食性を利用するためにチタン材料が活用されてきた。そのため、日本の規格では耐食性チタン合金や純チタンの種類が主に制定されている。国際標準化機構では、航空宇宙用途以外を守備範囲として、軽金属の専門委員会 TC79 の下にチタンに関する分科委員会 SC11 が2002年に設置され、国際共通規格の策定が進められている。