Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）の概要
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Moは、航空宇宙用合金ファミリーにおけるGrade 4チタンとしても知られるニアα型チタン合金で、高温での優れた強度、熱安定性、耐食性を実現するよう設計されています。本合金は、ガスタービン、機体構造（エアフレーム）、および高温環境下で長期性能が求められる用途に広く使用されています。
信頼性の高い機械的安定性と耐酸化性により、本材は高仕様のCNC加工チタン部品における優先材料となっています。極限環境下で厳しい公差と寸法管理が求められる用途では、メーカーは高度なCNC加工サービスに依存し、Grade 4チタンから高精度部品を製作します。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）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 | 耐食性および耐熱性を備える基元素 |
アルミニウム（Al） | 5.5–6.5 | 高温強度のためのα安定化元素 |
スズ（Sn） | 1.8–2.5 | クリープ耐性を向上 |
ジルコニウム（Zr） | 3.6–4.5 | 耐酸化性と強度を向上 |
モリブデン（Mo） | 1.8–2.5 | 焼入れ性を高めるβ安定化元素 |
ケイ素（Si） | ≤0.25 | 母相を強化し、クリープ耐性を向上 |
酸素（O） | ≤0.15 | 強化に寄与するが延性に影響 |
鉄（Fe） | ≤0.30 | 残留元素 |
水素（H） | ≤0.015 | 脆化回避のため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 4.55 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1600–1660°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 100°Cで6.8 W/m·K | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 20°Cで1.62 µΩ·m | ASTM B193 |
線膨張係数 | 8.5 µm/m·°C | ASTM E228 |
比熱容量 | 20°Cで570 J/kg·K | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 108 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 | 860–980 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 790–900 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥10% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 300–340 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-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）の主な特長
高温での強度：Grade 4は最大500°Cまで高い強度とクリープ耐性を維持し、ガスタービンエンジン、機体構造、ヒートシールドに適しています。
優れた耐酸化性：ZrとSnの添加により安定した酸化皮膜の形成が促進され、高温かつ酸素リッチな環境でも長期耐久性を確保します。
熱疲労耐性：合金設計のバランスにより、加熱・冷却の繰返しサイクル下でも安定性を維持し、航空宇宙および発電部品にとって重要です。
優れた溶接性と安定性：ニアα合金でありながら溶接が容易で、熱サイクル後も相バランスを維持できるため、高圧アセンブリに最適です。
Grade 4チタンのCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
高い加工硬化率：Grade 4は工具接触中に加工硬化しやすく、表面の歪みを避けるために最適な切りくず負荷と工具の鋭利さが必要です。
低い熱伝導率：熱伝導率は6.8 W/m·Kと低く、工具‐切りくず界面に熱が滞留して工具寿命を低下させ、熱変形の可能性を高めます。
工具摩耗と凝着：酸化皮膜の形成が進みやすく、βリッチ領域が摩耗を加速し、切りくずの工具への付着を促進して仕上げ面に影響します。
弾性回復：縦弾性係数108 GPaにより、特に薄肉部品や仕上げ加工でスプリングバックが顕著に現れます。
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 | 微粒子超硬またはセラミックインサート | 高強度と耐熱性 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiN（3–5 µm） | BUEを低減し工具寿命を向上 |
刃形 | 鋭利な刃先、高いすくい角 | 切削抵抗と熱入力を低減 |
切削速度 | 25–60 m/min | 過熱と表面硬化を防止 |
送り速度 | 0.10–0.25 mm/rev | 切りくず生成を安定させ、グレージングを回避 |
クーラント | エマルジョンクーラント、≥100 bar | 効果的な冷却と切りくず排出 |
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）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 4チタン部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）は内部微小空隙を緻密化し、特にフライトクリティカル部品の疲労寿命を向上させます。
熱処理では600～675°Cでの時効処理を行い、タービン部品におけるクリープ耐性と寸法安定性を高めます。
スーパーアロイ溶接は適合する溶加棒を用いて、航空宇宙および推進アセンブリ向けに母材同等強度の溶融溶接を実現します。
遮熱コーティング（TBC）は、ジェットエンジンおよび高温反応器の部品に対して、耐酸化性と熱疲労保護を付与します。
CNC加工は±0.01 mmの公差に対応し、フライトハードウェア、高性能フランジ、ブラケットに最適です。
放電加工（EDM）により、熱処理後部品におけるオリフィスや深いポケットなどの高精度形状加工が可能になります。
深穴加工は、構造部品および冷却部品においてL/D > 30:1の穴深さと、表面粗さRa ≤ 1.6 µmを実現します。
材料試験には、引張、クリープ破断、SEM組織観察、超音波NDTなどが含まれ、航空宇宙QA規格に準拠します。
材料試験および分析
Grade 4の材料検証には、高温引張試験、クリープ破断評価、微小硬さ、XRD、金属組織解析が含まれ、航空宇宙および原子力規格への適合を保証します。
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Grade 4）の産業用途
航空宇宙：400°C以上で使用されるエンジンケーシング、アフターバーナー部品、ノズルハードウェア。
発電：ガスタービンブレード、排気ダクト、高圧燃焼器要素。
防衛システム：温度耐久性が求められる航空宇宙用構造コネクタおよび推進系ライナー。
産業機器：腐食性環境および熱サイクル環境における熱交換器、高圧シール。
航空宇宙用ファスナー：高サイクル疲労および高温熱負荷領域向けのボルトおよびフランジシステム。
