Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）の概要
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（一般にTi-15-3として知られる）は、航空宇宙および高性能産業用途向けに開発された準安定βチタン合金です。高い比強度（強度／重量比）、優れた冷間成形性、そして熱処理後の卓越した靭性で知られています。Ti-15-3は、高精度CNC加工に加えて、ロール成形、超塑性成形、冷間深絞りにも特に適しています。
溶体化処理状態での優れた被削性により、Ti-15-3は高性能なCNC加工チタン部品の製造に理想的な材料です。高度なCNC加工サービスによって製造されるこれらの部品は、航空機フレーム、エンジン支持構造、そして高強度・耐疲労性が求められる精密部品で多く採用されています。
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）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 | 構造母材と耐食性を付与 |
バナジウム（V） | 14.0–16.0 | β安定化元素、強度と焼入性を向上 |
クロム（Cr） | 2.5–3.5 | 耐酸化性およびクリープ特性を改善 |
スズ（Sn） | 2.5–3.5 | 熱安定性と強度に寄与 |
アルミニウム（Al） | 2.5–3.5 | 耐疲労性と相制御を向上 |
酸素（O） | ≤0.13 | 強度を向上（延性確保のため管理が必要） |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化を避けるため制限 |
炭素（C） | ≤0.08 | 残留元素 |
鉄（Fe） | ≤0.30 | 残留元素 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.66 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1590–1650°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 6.6 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.68 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.6 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 550 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 105 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 | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 950–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥8% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–360 HB | ASTM E10 |
耐疲労性 | 高い | ASTM E466 |
冷間成形性 | 優秀 | ASTM F1162 |
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）の主な特長
高強度・軽量：Ti-15-3は鋼のほぼ半分の重量で1000 MPa超の引張強さを発揮し、航空宇宙の構造部材に最適です。
優れた冷間加工性：多くのチタン合金と異なり、Ti-15-3は割れを起こしにくく複雑形状へ冷間成形できるため、製造工程を削減できます。
卓越した耐疲労性：繰返し荷重下でも機械特性を維持し、航空機外板やブラケット部品で有用です。
良好な熱処理性：熱処理により強度・靭性・疲労寿命を最適化できます。
Ti-15-3チタンのCNC加工における課題と対策
加工上の課題
工具摩耗：α系またはα-β系合金より被削性は良いものの、乾式や潤滑不足では未コート工具に研磨摩耗が生じやすいです。
低い熱伝導率：熱が工具・ワーク界面に集中し、高圧クーラントがないと工具劣化が早まります。
弾性回復：弾性率105 GPaのため、切削後のスプリングバックが厳しい公差部品の寸法精度に影響します。
加工硬化：硬化と表面粗さの悪化を抑えるため、鋭利な工具と適切な送り条件が必要です。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 超硬（K20/K30グレード） | 摩耗と発熱に対する耐久性を確保 |
コーティング | AlTiN または TiCN | 耐酸化性・焼付き（かじり）を抑制 |
形状 | 正すくい角、ホーニング刃 | 応力集中とバリ生成を低減 |
切削速度 | 25–50 m/min | 発熱と除去能率のバランス |
送り | 0.10–0.25 mm/rev | 振動を抑えつつ良好なせん断を確保 |
クーラント | 内部給油エマルジョン ≥100 bar | 温度管理と工具寿命を確保 |
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15-3）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 | 40–55 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Ti-15-3チタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は、疲労強度を高め内部欠陥を除去し、構造健全性を向上させます。
熱処理は、約800°Cでの溶体化処理後、480～540°Cで時効処理を行い、最大の強度と延性を得ます。
耐熱合金溶接は、溶接後の熱処理により材料特性を回復させ、信頼性の高い組立を可能にします。
遮熱コーティング（TBC）は、高温の熱サイクル環境における保護を提供し、特に航空宇宙システムで有効です。
CNC加工は、航空機用ブラケット、制御リンク、構造リブに対して±0.01 mmの公差をサポートします。
放電加工（EDM）は、時効後または難削状態の部品に対し、微細形状を高精度に生成します。
深穴加工は、Ra ≤1.6 µm、L/D >30:1の直穴加工を可能にし、航空宇宙および治工具用途に対応します。
材料試験には、組織検証、硬さプロファイル、疲労試験、AMS規格に基づくNDTが含まれます。
材料試験および解析
Ti-15-3部品は、疲労試験、相構造の検証（SEM/XRD）、時効後の引張試験、ならびに超音波NDTを実施し、飛行対応および高荷重部品に求められる材料性能を確認します。
