Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）
Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）の概要
Ti-5Al-2.5SnはGrade 6チタンとして規定されるニアα型チタン合金で、中程度の強度、優れた溶接性、卓越したクリープ耐性を兼ね備えています。航空宇宙、海洋、発電分野における高温環境での使用を想定して設計されています。
熱安定性が高く、酸化性雰囲気下でも安定した性能を発揮するため、Ti-5Al-2.5Snは重要なCNC加工チタン部品に適した信頼性の高い材料です。高性能なCNC加工サービスにより、複雑形状や薄肉の航空宇宙構造であっても、優れた寸法精度を備えた高精度部品の製作が可能になります。
Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）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 | 耐食性と構造安定性を付与 |
アルミニウム（Al） | 4.5–5.5 | α安定化元素、強度と耐酸化性を向上 |
スズ（Sn） | 2.0–3.0 | クリープおよび熱疲労耐性を向上 |
酸素（O） | ≤0.15 | 母相を強化するが延性に影響 |
鉄（Fe） | ≤0.30 | 残留元素 |
水素（H） | ≤0.015 | 水素脆化防止のため管理が必要 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.54 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1600–1650°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 100°Cで7.1 W/m·K | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 20°Cで1.60 µΩ·m | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.3 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 20°Cで565 J/kg·K | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 110 GPa | ASTM E111 |
機械的特性（焼なまし状態）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 745–860 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 690–790 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 280–320 HB | ASTM E10 |
クリープ耐性 | 非常に優れる | ASTM E139 |
疲労耐性 | 高 | ASTM E466 |
Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）の主な特長
優れた高温特性：最大450°Cまで機械的強度とクリープ耐性を維持し、ジェットエンジンのダクトやアフターバーナー構造に最適です。
卓越した溶接性：Grade 6は機械特性の大きな低下を伴わずに高い溶接健全性を確保でき、圧力容器や航空宇宙用配管に適しています。
熱安定性：線膨張係数が低い（8.3 µm/m·°C）うえ、熱疲労耐性が高く、高サイクルの熱負荷環境での性能を支えます。
耐酸化性：安定したTiO₂表面層の形成により、高温ガスおよび海洋雰囲気中でのスケーリングや腐食から部品を保護します。
Grade 6チタンのCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
靭性と低熱伝導：高い靭性に加え熱伝導率が7.1 W/m·Kと低いため、切削領域で過度な発熱が生じ、工具摩耗を招きます。
加工硬化の挙動：切りくず負荷が不足すると、Ti-5Al-2.5Snは加工中に硬化しやすく、工具寿命と仕上げ面品質に悪影響を与えます。
工具への凝着リスク：高温下でビルトアップエッジ（BUE）が発生し、精度低下やかじり（ガリング）リスクの増大につながります。
寸法精度：弾性回復とスプリングバック（縦弾性係数約110 GPa）により、高精度部位の寸法管理には補正が必要です。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨内容 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 超硬またはCBNインサート | 高温域での耐摩耗性に適する |
コーティング | AlTiNまたはTiAlSiN（3–5 µm PVD） | 凝着を抑え、熱起因の劣化を低減 |
刃形 | 鋭いすくい角、ホーニングエッジ | 切削抵抗を低減し、切りくず排出を改善 |
切削速度 | 20–60 m/min | 熱負荷と仕上げ面をバランス |
送り速度 | 0.10–0.25 mm/rev | 適正な切りくず生成を確保 |
クーラント | 高圧エマルジョン ≥100 bar | 熱の蓄積を防ぎ、摩擦を低減 |
Ti-5Al-2.5Sn（Grade 6）切削条件（ISO 3685準拠）
加工内容 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧力（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 | 45–65 | 0.05–0.10 | 0.2–0.5 | 100–150 |
Grade 6チタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は部品密度を向上させ、内部空隙を除去することで、タービンおよび推進系部品の疲労性能を高めます。
熱処理では、応力除去および約600°Cでの時効処理を行い、クリープ耐性と寸法安定性を最適化します。
スーパーアロイ溶接により、圧力認定が必要な航空宇宙システムで、気孔や割れを最小限に抑えた母材同等強度の溶接が可能になります。
遮熱コーティング（TBC）は、ジェットエンジン排気や化学反応器内で使用されるGrade 6部品を酸化および熱疲労から保護します。
CNC加工は±0.01 mmの精度を実現し、エンジンダクト、制御ハウジング、高精度航空宇宙配管の製造に不可欠です。
放電加工（EDM）により、熱応力を導入せずに精密穴や冷却チャネルの加工が可能になります。
深穴加工は、高いL/D比に対応し、真直度<0.3 mm/mおよびRa ≤ 1.6 µmを実現でき、圧力配管やダクト用途に適しています。
材料試験には、クリープ破断の検証、SEMによる組織評価、超音波探傷が含まれ、品質保証に用いられます。
材料試験および分析
Grade 6部品は、高温引張試験、クリープ評価、疲労寿命試験、XRD/SEM分析を実施し、航空宇宙、原子力、海洋用途での健全性を保証します。
