11Cr-3Al（TC11）
11Cr-3Al（TC11）の概要
11Cr-3Al（TC11）は、主に航空宇宙および発電分野の過酷な用途向けに開発された、高強度・高温対応のα-β型チタン合金です。優れた高温機械特性、卓越したクリープ耐性、安定した耐酸化特性を備え、最大500°Cまでの使用環境に適しています。
焼鈍または溶体化処理状態における高い強度と良好な被削性により、本合金はCNC加工チタン部品に最適です。高度なCNC加工サービスを用いることで、TC11部品は高精度、優れた疲労特性、長期的な熱安定性を実現し、航空宇宙構造、コンプレッサーディスク、エンジンケースに適用されます。
11Cr-3Al（TC11）の化学的・物理的・機械的特性
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
チタン（Ti） | 残部 | 耐食性を有する母材、構造安定性 |
クロム（Cr） | 10.0–12.0 | β安定化元素、耐酸化性・耐クリープ性を向上 |
アルミニウム（Al） | 2.5–3.5 | α安定化元素、強度と耐酸化性を向上 |
モリブデン（Mo） | 0.8–1.5 | 焼入性およびクリープ強度を向上 |
ケイ素（Si） | ≤0.30 | 耐酸化性を向上 |
鉄（Fe） | ≤0.50 | 残留元素 |
酸素（O） | ≤0.15 | 強度向上元素（延性確保のため管理が必要） |
炭素（C） | ≤0.08 | 残留元素 |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化防止のため厳密に管理 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.57 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1620–1670°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 6.3 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.67 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 560 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 115 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（溶体化処理＋時効）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 950–1050 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 850–950 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 300–340 HB | ASTM E10 |
耐クリープ性 | 500°Cまで優秀 | ASTM E139 |
耐疲労性 | 高い | ASTM E466 |
11Cr-3Al（TC11）の主な特長
高温性能：450～500°Cの連続使用環境でも950 MPa以上の引張強さと優れた耐クリープ性を維持。
耐酸化性・熱安定性：CrとAlにより緻密な保護酸化膜を形成し、タービンや排気環境での劣化を抑制。
優れた耐疲労性：周期的な熱・機械応力を受ける回転部品や振動部品に最適。
良好な溶接性と構造健全性：溶接後の熱処理においても安定した機械特性を確保。
TC11チタンのCNC加工における課題と対策
加工上の課題
熱の蓄積：熱伝導率が低く、連続切削時に工具刃先が過熱しやすい。
弾性回復および加工硬化：高い弾性率と加工硬化傾向により、仕上げ精度や切りくず制御が困難。
研磨性酸化物の生成：高速加工時に硬質酸化物が形成され、工具摩耗が増加。
高い表面品質要求：航空宇宙用途のシール面や回転部品ではRa＜0.8 µmが要求される。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 微粒超硬、コーティングインサート | 高温下での耐摩耗性 |
コーティング | AlTiN または TiSiN | 凝着抑制、耐酸化性向上 |
形状 | 正すくい角、0.05 mmホーニング刃 | 切削抵抗と発熱を低減 |
切削速度 | 20–45 m/min | 熱損傷や切りくず溶着を防止 |
送り | 0.10–0.20 mm/rev | 工具負荷と仕上げ品質のバランス |
クーラント | 内部給油エマルジョン ≥100 bar | 切りくず排出と温度制御を強化 |
11Cr-3Al（TC11）切削条件（ISO 3685準拠）
工程 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 20–30 | 0.15–0.20 | 2.0–3.0 | 80–100（内部給油） |
仕上げ加工 | 40–50 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
TC11チタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は、気孔を除去し密度を向上させることで、疲労特性と耐クリープ性を改善します。
熱処理では、950～970°Cでの溶体化処理および500～540°Cでの時効処理により、最適な耐クリープ強度を実現します。
耐熱合金溶接は、アルゴン雰囲気下での溶接と溶接後応力除去により、航空宇宙用途の構造健全性を確保します。
遮熱コーティング（TBC）は、タービンケースなどの酸化・熱サイクル環境で稼働するTC11部品を保護します。
CNC加工により、重要な回転部品で±0.01 mmの公差と低Ra表面を実現します。
放電加工（EDM）は、硬化材や厚肉部品への高精度形状加工を可能にします。
深穴加工は、L/D＞30:1、Ra≤1.6 µmを達成し、高温冷却部品に対応します。
材料試験には、クリープ試験、相解析、SEM観察、超音波NDTが含まれ、構造健全性を保証します。
材料試験および解析
TC11部品は、高温引張試験およびクリープ試験、SEMによる微細組織評価、GB・AMS・航空宇宙規格に基づく超音波欠陥検査が実施されます。
