チタンの新たな時代

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金属の中でも、チタンの強度と軽さ、耐食性、および極端な温度に耐える能力は、特に重量や環境に敏感な用途において、その価値を長年にわたって際立たせてきました。 18世紀後半にこの金属が初めて記載されたとき、共同発見者はこの金属に、古代ギリシャ神話で大地と空から生まれた神々であるタイタンにちなんで名付けました。

時が経てチタンの輝きだけが磨かれました。 「私は材料科学者なので、『あなたの好きな元素は何ですか?』と時々聞かれます」と材料科学工学教授のアンドリュー・マイナーは言う。 建物、飛行機、ミサイル、宇宙船などについて、「最小限の重量で最も強力な素材が必要な場合、それはチタンです。それができるなら、私たちはすべてをチタンで作りたいと思います。」と彼は言います。

実際、工業デザイナーにとって、例えば、強力で軽量、燃費効率の高い自動車、トラック、飛行機、あるいは超耐食性の貨物船などのチタンは夢のようなものに違いありません。

問題？ 「それは高すぎる」とマイナー氏は、最も強く耐久性のある材料だけで十分な場合、鋼鉄に取って代わる可能性がある工業グレードのチタンまたはチタン合金について言う。 実際、チタンの製造コストはステンレス鋼の約 6 倍です。 その結果、その用途は航空宇宙用の特殊部品、宝飾品などの高級品、またはその他のニッチな用途に限定されたままです。

さらに、純チタンは中程度の強度しかありません、とマイナー氏は説明します。 酸素、アルミニウム、モリブデン、バナジウム、ジルコニウムなどの元素で強化できます。 ただし、これは多くの場合、延性、つまり破損することなく引き抜かれたり変形したりする金属の能力を犠牲にします。

10年間の研究を経た今、マイナー氏とバークレー校の同僚であるマーク・アスタ氏、ダリル・クルザン氏、JWモリス・ジュニア氏（同じく工学部教授）のおかげで、チタンの新時代が近づいているかもしれない。材料科学と工学。 彼らは、さまざまな構造的または工学的用途への実用化を拡大することを期待して、あらゆる方法でチタンを調査し、推進してきました。

研究者らは一連の研究で、より優れたチタン合金を製造するためのレシピや工業グレードのチタンを製造するための低温鍛造技術など、チタンに関する重要な新たな洞察を開発した。これは最終的にはよりコスト効率が高く持続可能な製品につながる可能性がある進歩である。製造業。

ナノ双晶チタンを生成する極低温機械プロセスの概略図。(アンドリュー・マイナーによるイラスト)

チタンの価格はその希少性によるものではないことを理解することが重要です。 チタンは貴金属ではありません。 むしろ、世界中のほぼどこでも、地表近くの火成岩中に存在します。 これは地球上で 9 番目に豊富な元素であり、4 番目に豊富な金属であり、純粋な形でも合金としても物を作るのに使用できます。

むしろ、商用グレードのチタンの過剰なコストを押し上げているのは、使用可能な部品やその他の製品に加工できるチタン棒、インゴット、その他の形状の金属を製造するために最もよく使用される複雑なクロールプロセスであるとマイナー氏は説明します。 このプロセスにはアルゴンガスなどの高価な材料の使用が含まれており、特に酸素不純物を制御するために非常に高い温度で複数回の溶解が必要となるため、エネルギーを大量に消費します。

実際、チタンと酸素には不可解な関係があり、マイナー氏、アスタ氏、クルザン氏、モリス氏らは、その関係をより深く理解したいと考えていた。 研究チームは、強力な強化効果を利用するためにチタン合金に酸素不純物がよく使用されることを知っていました。 原子状酸素の量をわずかに増加させるだけでチタンを製造すると、強度が数倍増加する金属が得られます。

残念なことに、酸素は金属の延性をさらに大きく低下させる可能性もあります。 もろくなり、割れたり壊れたりします。

しかし、「酸素はどこにでも存在します」とマイナー氏は、酸素に対するチタンの高い応答性を回避する難しさについて語ります。 「原材料に由来する不純物を避けることができるわけではありません。」

彼はチタンの酸素に対する感受性が極端であると特徴付けています。 「その威力が本当に不思議なんです」とマイナーさんは言う。 酸素は金属に良くも悪くも影響を及ぼしますが、アルミニウムや鋼などの金属では、加工の際に容易に処理できるため、同量の酸素の存在は重要ではありません。

さらに詳しく知るために、チームはハイパフォーマンス コンピューティングに目を向け、応力下およびさまざまな量の酸素によるチタンの変形プロセスをモデル化しました。 アスタ氏によれば、コンピューターモデルは「チタン冶金におけるこの未解決の課題を調査できる強力なツールセット」だという。

研究チームの主な発見のうち、金属に応力がかかったときのチタンの結晶構造内の酸素原子のシャッフルは、延性の損失を理解する鍵となった。 応力が加わっていない状態では、酸素分子はチタンの原子間の自然な隙間に問題なく存在します。 しかし、機械的な力がかかると、酸素原子が隣接する空間に移動して転位に対する抵抗力が低下し、転位が広がると金属が弱くなる可能性があります。

「酸素は構造的な脆弱性を促進します」とマイナー氏は言う。 機械的な力によって金属が変形すると、酸素原子が移動して構造欠陥の広がりを阻止するのではなく、いわゆる平面滑りを促進する可能性があります。

アスタ氏によると、平面滑りは金属の結晶構造における欠陥のさざ波のようなもので、欠陥が次々と積み重なり、最終的には割れ目や亀裂、脆い金属片につながるという。

チタンで転位がどのように形成され、広がるかを理解するために、Chrzan 氏は、大きくて重い敷物を動かそうとする様子を視覚化することを提案しています。

「非常に大きな敷物は、片方の端をつかんで、床を横切って新しい位置まで引きずることができます」と彼は言います。 しかし、ラグを動かすもう 1 つの方法は、一方の端で波紋を作り、カーペットの上で足をすりすりさせることで、その波紋をもう一方の端まで「歩く」ことができます。 その動きを妨げるものが何もなければ、敷物全体は波紋の幅に等しい距離だけ移動することになります。

チタンのこのような「さざ波」は電子顕微鏡で見ることができます。 「すべての転位が一列に並んでいるのがわかります」とマイナー氏は言う。 「そして、それは延性に悪影響を及ぼします。なぜなら、それらが並んで互いに追従するだけであれば、それらは絡まり[そして停止し]、金属が硬化しないようにすることができないからです。応力集中が起こり、そこが問題となるのです」亀裂。"

酸素原子のシャッフルプロセスを中断したり、平面滑りの堆積を防ぐナノ構造を促進したりする設計戦略は、より優れた合金を生み出す可能性がある。 これらの合金は、特に自動車産業や航空宇宙産業に応用できるだろうとマイナー氏は言う。

アンドリュー・マイナー教授はチタンサンプルに液体窒素を注ぎ、研究室でナノ双晶チタンを作成するために使用される低温鍛造プロセスを実演しています。 (写真提供：アダム・ラウ/バークレーエンジニアリング)

これらおよびその他の問題に対処するために、チームはコンピューター モデリング、透過型電子顕微鏡 (TEM) およびその他のイメージング手法、および実験を組み合わせて利用しています。

「このプロジェクトで本当に良かった点の 1 つは、時には計算学者や理論家が少し先を行っていることもあれば、実験家が先を行っていることもあります」とアスタ氏は言います。 「私たちは頻繁に会い、発見や新しいアイデアについて話し合います。」

たとえば、チタンの酸素感受性に関する研究チームは、アルミニウムと酸素を合金化したチタンの研究につながりました。 彼らは、特に摂氏-150度以下の極低温において、少量のアルミニウムを添加することで酸素脆化を解消できることを発見した。

研究チームによると、適切な量のアルミニウムと酸素により、チタンの結晶構造に新たな秩序が生じ、有害な転位の蓄積や最終的には破壊につながる酸素原子のシャッフルが防止されたという。 さらに、アルミニウムの導入によりチタン全体の酸素感受性が低下したため、使用可能な金属を作成するための加工コストも削減されます。

さらに別の研究では、研究チームは1960年代に遡る研究に注目し、多くの金属や合金は、金属の変形中に周期的な電気パルスにさらされると延性が劇的に増加することを示した。 しかし、このいわゆる電気可塑性がなぜ真実であるのかについての根本的なメカニズムは明らかではありません。

「同じ成形性を実現するために金属全体を高温に加熱するよりも、電気パルスで金属を成形するほうがエネルギーが少なくて済むため、電気可塑性は冶金加工のコスト削減につながる可能性があります」とマイナー氏は言う。 「興味深いことに、電気可塑性のこの効果は、チタンだけでなく、本質的にあらゆる金属に作用することが示されているという点で普遍的です。」

研究チームは、室温、電流なし、持続時間100ミリ秒の周期的電気パルス、定電流の3つの異なる条件下で金属の引張試験を実施した。 電流を流すと金属が加熱されるため、研究チームは電気のみによって引き起こされる影響と熱によって引き起こされる影響を区別することに懸念を抱いていました。

彼らの結果は、以前の研究よりも小さい周期パルスを使用したにもかかわらず、パルス電流法によりチタン合金の引張伸びと最大強度が向上したことを示しました。 彼らは、この効果はパルス電流実験にのみ特有であることに注目しています。

TEM を利用して金属の結晶構造の変化を観察すると、その結果は、パルス電流処理が平面滑り転位を抑制することを示唆しています。 研究者らは、電気パルスが材料を硬化させ、最終的に高い強度と延性を実現する拡散した 3D 転位パターンを維持することで、平面滑りの発達を妨げることを発見しました。

つい最近、マイナーと材料科学および機械工学の教授であるロバート・リッチーは、より安価で、より優れた引張強度と延性を備えた金属を生成する純チタンを製造するための先駆的なバルク加工法を開発しました。

バークレー研究所国立電子顕微鏡センターのチーム I (透過型電子収差補正顕微鏡) プロジェクトに携わる材料科学および工学教授 (左から) ダリル・クルザン、マーク・アスタ、アンドリュー・マイナー。 (写真提供：アダム・ラウ/バークレーエンジニアリング)

合金とは別に、構造用金属を強化するもう 1 つの方法は、熱や圧延やプレスなどの機械加工を使用して、金属を構成する結晶 (結晶粒とも呼ばれる) のサイズを調整することです。 粒子サイズをサブマイクロメートルまたはナノメートルまで縮小することにより、研究者は、いわゆるナノ双晶構造、つまり整列した結晶構造によって引き起こされる金属の欠陥を導入することができます。 ナノ双晶構造は、平面滑りに対する障壁として機能することで強度を向上させ、破損のリスクを低減します。 ナノツイン構造の間隔と配向を調整することで、機械的特性をさらに最適化できるとマイナー氏は言う。 しかし、これを行う従来の方法は簡単でも安価でもありません。

その代わりに、Minor 氏と Ritchie 氏らは、極低温機械プロセスによって純チタンに複数のナノ双晶構造を導入しました。 彼らは、液体窒素中で 3 つの側面に沿ってプレスされた立方体状のチタン片を使用しました。 マイナー氏によると、穏やかな圧縮によってナノ双晶構造の密度が制御され、金属の初期の粒子構造を維持しながら強化されるという。 何よりも、このプロセスは高熱に依存せず、現在よりもはるかに幅広い用途に使用できるチタンを製造するためのより持続可能な方法である可能性があります。

極低温鍛造材料の機械的特性、特に強度と延性は、極低温だけでなく非常に高い温度でも維持されます。 マイナー氏は、ナノ双晶チタンの性能は、極度に高温のジェットエンジンや極度に低温の動作環境などに最適であり、超電導磁石の止め輪、液化天然ガスタンクの構造部品、その他の用途に使用されることを示唆していると述べた。深海または深宇宙環境にさらされる。

新しい商用グレードのチタン製造プロセスが近いうちに大規模化される可能性があるのか​​との質問に対し、マイナー氏は「なぜそうしないのですか?」と答えた。 現在使用されているクロールプロセスのようなことを行うのは、実際にはより困難であり、材料を電気的に絶縁する必要があり、プロセス全体で大量の電力が必要となります。 「そして、この低温鍛造は、単に物を浴槽に入れるだけです。」