TiNb合金粉末

TiNb合金粉末の紹介

TiNb合金粉末はチタンと ニオビウム 金属である。高強度、低密度、生体適合性、耐食性、高温での耐疲労性、耐クリープ性というユニークな組み合わせを提供する。

TiNb合金は、純チタンと比較して優れた物理的、化学的、機械的特性を持つ、より広範なクラスのチタン金属間材料の一部です。合金元素としてニオブを添加することで、特定の特性が向上し、特定の用途向けにTiNb合金を調整することができます。

TiNb合金粉末の主な利点には以下のものがある：

• 高い強度対重量比
• 極端な温度やストレスに耐える能力
• 過酷な環境下での耐摩耗性、耐腐食性
• 医療用として生体適合性があり、毒性がない。
• 積層造形により複雑な形状に加工可能
• エンジニアに設計の柔軟性を提供

TiNb合金は、航空宇宙産業においてニッケルやコバルトベースの超合金と競合している。TiNb合金は、航空宇宙産業において、ニッ ケルやコバルトベースの超合金と競合している。TiNb合金は、他の材料では不可能な新しい用途や設計を可能にしている。

この記事は、TiNb合金粉末の組成、特性、加工、用途、仕様、コスト、およびその他の実用的な側面を網羅した技術的なリファレンスを提供する。

TiNb合金粉末組成

TiNb合金は、主要構成元素として主にチタンとニオブを含む。ニオブの含有量は通常、重量比で10%から50%の範囲であり、残りはチタンである。

TiとNbの比率を調整することで、特定の特性に最適化されたさまざまなグレードのTiNb合金を作ることができる。一般的なTiNbグレードには以下のようなものがある：

• Ti-10Nb - 10%ニオブ、90%チタン
• Ti-35Nb - 35%ニオブ、65%チタン
• Ti-45Nb - 45%ニオブ、55%チタン
• Ti-50Nb - 50%ニオブ、50%チタン

さらに、ジルコニウム、タンタル、モリブデン、クロムなどの他の元素を少量添加して、特性をさらに高めることもある。また、不純物として酸素や窒素が含まれることもある。

表1: 一般的なTiNb合金グレードの化学組成

合金グレード	ニオブ含有量	チタン含有量
チタン-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

最終的なTiNb合金製品で所望の特性を得るためには、組成を制御することが重要である。粉末冶金技術は、合金粉末原料に構成金属を正確に混合することを可能にします。

TiNb合金粉末の特性

TiNb合金は、様々な有用な物理的、機械的、化学的特性を示し、高性能用途に適している。主な特性は以下の通り：

物理的性質

• 密度 - 4.5～5.5g/cm3、鋼やニッケル合金より低い。
• 融点 - 1550～1750°C 組成による
• 電気抵抗率 - 0.5～0.6μΩ.m、純チタンより高い
• 熱伝導率 - 6～22W/m.K、チタンより低い

機械的特性

• 引張強さ - 500～1100 MPa、ニオブ含有量により増加
• 降伏強さ - 300～900 MPa
• 伸び - 10%～25%
• 硬度 - 200～350 HV
• 疲労強度 - 400～600 MPa

その他の物件

• 耐食性 - 保護酸化皮膜による優れた耐食性
• 耐摩耗性 - 硬度によりチタンより優れている。
• 生体適合性 - 無毒性、非アレルギー性

Ti/Nb比を調整することで、強度、延性、硬度、弾性率などの特性を用途に応じて最適化できる。

表2：Ti-35Nb合金の代表的な特性

プロパティ	価値
密度	5.2 g/cm3
融点	1600°C
引張強さ	650 MPa
降伏強度	550 MPa
伸び	15%
弾性率	60 GPa
硬度	250 HV

TiNb合金粉末の用途

TiNb合金のユニークな特性は、様々な産業における要求の厳しい用途に適している：

航空宇宙

• エンジン部品 - ブレード、ディスク、ファスナー
• 機体部品-着陸装置、主翼、胴体
• 油圧システム - ポンプ、バルブ、アクチュエーター

自動車

• バルブスプリング、エンジンバルブ
• コンロッド、ターボチャージャー・ローター
• モーターレース用部品

バイオメディカル

• 整形外科インプラント - 膝、股関節
• インプラント、クラウン
• 手術器具
• 医療機器

化学工業

• 熱交換器、リアクター
• ポンプ、バルブ、パイプ
• 耐食装置

その他の用途

• スポーツ用品 - ゴルフクラブ、自転車フレーム
• 高級時計とジュエリー
• 電気接点およびコネクタ
• 高温炉部品

強度、耐熱性、耐腐食性、生体適合性を併せ持つTiNb合金は、これらの産業において、より重い材料の代替となる。

表3：TiNb合金の産業別用途

産業	アプリケーション
航空宇宙	エンジン部品、機体部品、油圧システム
自動車	バルブスプリング、エンジンバルブ、コネクティングロッド
バイオメディカル	インプラント、歯科、手術器具、機器
ケミカル	熱交換器、リアクター、ポンプ、バルブ
その他	スポーツ用品、時計、電気接点、炉部品

TiNb合金粉末加工

TiNb合金粉末は、さまざまな加工ルートで製造することができる：

金属粉の混合

• 元素チタン粉末とニオブ粉末を必要な組成でブレンドする
• 混合粉末は機械的に合金化され、TiNb合金粉末となる。

ガス噴霧

• 溶融したTiNb合金を不活性ガスで微粒化する。
• 液滴が凝固して球状の合金粉末粒子になる

プラズマ回転電極プロセス（PREP）

• TiNb電極棒をプラズマアークで溶かし、高速回転させる
• 遠心力によって液滴が砕け、固化して粒子になる

水素化物-脱水素化物（HDH）法

• TiとNb金属は脆い水素化物粉末に変換される
• 水素化物粉末をブレンドし、脱水し、粉砕し、ふるいにかける。

粉末の粒子径、形態、流動性、微細構造は、適切な製造工程を選択することで制御できる。これが圧密後の最終的な特性に影響を与える。

表4：TiNb合金粉末の製造方法

方法	説明	粒子径	形態学
メカニカルアロイング	Ti粉末とNb粉末の混合と粉砕	10～50ミクロン	不規則、角張っている
ガス噴霧	溶融合金の不活性ガスアトマイズ	15～150ミクロン	球形
プラズマ回転電極	溶融電極の遠心分離機による分解	50～150ミクロン	球形
HDHプロセス	加水分解、脱水分解、混合粉末の粉砕	10～63ミクロン	不規則、角張っている

TiNb合金粉末の圧密成形

TiNb合金粉末は、様々な粉末冶金圧密技術を用いて完全密度の部品に変換することができる：

熱間静水圧プレス（HIP）

• カプセル化された粉末は高温高圧でHIP処理される。

真空焼結

• 粉末を圧縮し、真空炉で焼結する。

スパークプラズマ焼結

• 粉末はパルス直流電流によって同時に加熱・圧縮される

金属射出成形（MIM）

• 粉末をバインダーと混合し、成形、脱脂、焼結する。

アディティブ・マニュファクチャリング

• 粉末床溶融（SLM、EBM）または指向性エネルギー蒸着（DED）

HIPと真空焼結は、微細構造を保持したまま、完全密度に近い密度を達成できる。積層造形は幾何学的自由度が高い。圧密プロセスは、所望の特性を達成するために最適化することができる。

表5：TiNb合金粉末圧密技術

方法	説明	密度	微細構造	幾何学
ヒップ	高圧、高温	フル密度に近い	ファイン	シンプルな形
真空焼結	真空炉での焼結	フル密度に近い	ファイン	シンプルな形
スパークプラズマ焼結	パルス電流と圧力	完全な密度	ウルトラファイン	シンプルな形
金属射出成形	パウダー＋バインダー成形	フル密度に近い	ウルトラファイン	複雑な形状
積層造形	粉末床融合または指向性エネルギー蒸着	フル密度に近い	粗目	複雑な形状

TiNb合金粉末の仕様

TiNb合金粉末は、様々な用途に合わせた様々な仕様で入手可能である：

作曲： ニオブ含有量10%～50%のグレード

粒子径： 10～150ミクロン

形態学： 球状、不規則、混合

生産方法： ガスアトマイズ、HDH、ブレンドエレメンタル

純粋さ： >99.5%チタン、99.8%ニオブ

酸素含有量： <2000ppm未満

流動性： ホール流量 > 23秒/50g

見かけ密度： ≥ 2.5 g/cc

タップ密度： ≥ 3.5 g/cc

化学組成、粒度分布、形態、流量、密度は一般的に指定される特性です。特定の用途のために、特注の合金や粉末仕様を製造することも可能です。

表6: Ti-35Nb ガスアトマイズ粉末の標準仕様

パラメータ	仕様
合金組成	Ti-35Nb
粒子径	15～45ミクロン
形態学	球形
製造方法	ガス噴霧
純度	Ti>99.5%、Nb>99.8%
酸素含有量	<1500ppm未満
流量	>38秒/50g以上
見かけ密度	≥ 2.7 g/cc
タップ密度	≥ 4.2 g/cc

TiNb合金粉末のサプライヤー

チタン・ニオブ合金粉末の世界的な大手サプライヤーには以下のようなものがある：

• AP&C - チタンおよびニオブ合金粉末
• アトランティック・エクイップメント・エンジニアズ - 球状・角状パウダー
• TLS Technik - ガスアトマイズTiNb合金
• メタル・テクノロジー - 元素粉末とプレアロイ粉末のブレンド
• サンドビック・オスプレイ - ガスアトマイズ球状粉末
• カーペンターアディティブ - 特注合金粉末

TiNb合金は、チタンやニオブ金属のサプライヤーからも提供されている。標準化された合金とカスタム組成の両方を、これらの粉末メーカーから調達することができます。

表7: TiNb合金粉末サプライヤー

会社概要	材料	生産方法
エーピーアンドシー	Ti、Nb、TiNb合金	ガス噴霧
アトランティック・エクイップメント・エンジニア	Ti、Nb、TiNb合金	ガス噴霧、混合
TLSテクニーク	TiNb合金	ガス噴霧
メタル・テクノロジー	TiNb合金	混合元素、プレアロイ
サンドビック・オスプレイ	TiNb合金	ガス噴霧
カーペンター添加剤	カスタムTiNb合金	ガス噴霧

TiNb合金粉末のコスト

TiNb合金粉末は、チタンまたはニオブ粉末単独よりも高価である。コストは以下による

• 組成 - Nb含有量が高いほどコストが高くなる
• 純度 - 高純度であればあるほどコストは上昇する
• 粒子径と分布
• 製造方法 - ガスアトマイズ粉末の方がコストが高い
• 注文数量-数量が多いほど低コスト

少量のTiNb合金粉末の参考価格：

• Ti-10Nb：1kgあたり$100～$300
• Ti-35Nb：1kgあたり$200～$500
• Ti-50Nb：1kgあたり$300～$800

数百キロや数トンの大量注文の場合、価格は大幅に下がる。

表8：TiNb合金粉末の価格目安

合金	価格（$/kg）
チタン-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

TiNb合金粉末の取り扱いと保管について

反応性金属粉末であるため、TiNb合金粉末の取り扱いには注意が必要である：

• 酸化や汚染を防ぐため、乾燥した不活性雰囲気の密閉容器に保管すること。
• 酸素、水分、油、可燃性物質との接触を避ける。
• 表面や機器への微粉の堆積を防ぐ
• 取り扱いに使用するすべての導電性機器を接地する。
• 火花防止工具を使用し、粉塵の発生を最小限に抑える。
• 取り扱い時には手袋と呼吸保護具を着用すること。
• 接地された換気システムを使用し、粉塵雲を避ける。
• 熱、炎、火花、その他の発火源から遠ざけること。
• 適切なPPEと予防措置については、安全データシートに従ってください。

乾燥した不活性雰囲気で適切に保管された場合、TiNb合金粉末の一般的な保存可能期間は12ヶ月です。不適切な保管状態は、酸化、流動性の低下、発火の危険性を招くことがある。

表9：TiNb合金粉末取り扱いガイドライン

パラメータ	ガイドライン
ストレージ	密閉容器、乾燥不活性雰囲気
雰囲気	酸素、湿気、油、可燃物を避ける
設備	すべての導電性機器を接地する
ツール	火花の出ない工具を使用する
換気	アース付き換気システム
有形固定資産	手袋、呼吸保護具
注意事項	熱、炎、火花を避ける
賞味期限	不活性雰囲気中12ヶ月

TiNb合金粉末安全データシート

他の反応性金属粉末と同様、TiNb合金の安全上の注意事項がある：

• PPEの着用 - 手袋、保護メガネ、マスク/呼吸マスク
• 粉末の吸入を避ける - 呼吸保護具を使用する
• 皮膚や目への接触を避ける
• 粉末を取り扱った後はよく洗うこと
• 発火源を避けること。粉末は可燃性である可能性がある。
• 適切な接地と換気を行う
• 酸化を防ぐ不活性保管雰囲気
• 表面にこぼれたり、ほこりがたまったりしないようにする。
• SDSおよび警告ラベルの指示に従うこと

応急処置：

• 吸入：新鮮な空気の場所に移動する。必要に応じて医師の手当を受けること。
• 皮膚に付着した場合：石鹸と水で洗うこと。炎症が続く場合は、医師の手当てを受けること。
• 眼に入った場合：水で15分間洗眼すること。医師の手当てを受けること。
• 摂取：水を飲むこと。不快感がある場合は、医師の手当てを受けること。

TiNb合金粉末を取り扱い、加工する前に、必ず供給元からのSDSを参照し、完全な安全衛生情報を入手すること。

表10：TiNb合金粉末の主な安全対策

安全項目	注意事項
有形固定資産	手袋、ゴーグル、N95マスク
吸入	呼吸保護具の使用
皮膚接触	患部を石鹸と水で洗う
アイコンタクト	水で15分間目を洗い流す
摂取	水を飲む。必要であれば医師の診断を受ける。
換気	アース付き換気フードの使用
接地	取り扱い中はすべての機器を接地すること
点火	火花、炎、熱源を避ける
ストレージ	可燃物から離れた不活性雰囲気

TiNb合金粉末の品質検査

TiNb合金粉が仕様に適合していることを確認するため、さまざまな品質チェックが行われる：

• 化学分析 - ICP、GDMSまたはLECO分析による組成と純度の確認
• 粒度分析 - 粒度分布のためのレーザー回折またはふるい分析
• 形態学 - 粒子形状と表面トポロジーを確認するためのSEMイメージング
• 流量 - ホールフローメーターによる粉体流動性試験
• 密度 - 見かけ密度およびタップ密度の測定
• 酸素/窒素 - 格子間不純物の不活性ガス融合分析
• 位相識別 - XRD分析による存在相の決定

パウダーの特性は、ASTM B939、ASTM F3049、EN 10204 3.1などの品質基準に基づき、バッチごとにテストされます。パウダーは均一性を得るためにロット間でブレンドすることができます。

表11：TiNb合金粉末の試験方法

テスト	方法	スタンダード
構成	ICP、GDMS、レコ	アストレムE1479、アストレムE2330
粒度分布	レーザー回折、ふるい分け	ASTM B822
形態学	SEMイメージング	ASTM B822
流量	ホールフローメーター	ASTM B213
密度	スコット・ボリュメーター	ASTM B212
酸素/窒素	不活性ガス融解	ASTM E1019
位相分析	X線回折	ASTM E1876

TiNb合金の医療用途

生体適合性、高強度、低弾性率のため、TiNb合金は医療用インプラントや機器に広く使用されている：

整形外科インプラント

• 人工膝関節置換術および人工股関節置換術
• 骨プレート、スクリュー
• 脊椎固定装置
• インプラントとブリッジ

Ti-35NbやTi-45NbのようなTiNb合金は、高い疲労強度を提供しながら、人骨の弾性率にマッチしている。これは、より硬いチタン合金と比較して、応力の遮蔽を低減します。

心血管機器

• ステント
• ペースメーカーのケーシング
• ガイドワイヤー
• 手術器具

TiNb合金の耐食性、無毒性、非磁性は、血液や組織と接触する機器に適している。

医療用TiNb合金グレード

• Ti-10Nb～Ti-50Nb
• Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Taの特性調整用
• ISO 5832-11およびASTM F2066規格

低弾性率のTi-35NbやTi-45Nbが一般的である。Nbが高いほど強化されるが、弾性率は高くなる。少量のZr/Ta添加は、さらに特性を調整する。

バイオメディカル用TiNb合金の利点

• 優れた生体適合性とオッセオインテグレーション
• 高い強度と耐疲労性
• 骨に近い低弾性率
• 非毒性、非アレルギー性
• 耐食性
• 非磁性

TiNb合金は、強度、生体適合性、耐食性、弾性率など、インプラントに最適な組み合わせを提供する。

TiNb合金医療部品の課題

• 難しい加工と製作
• Ti-6Al-4V合金より高価
• 厳格な品質管理とテストが必要
• 長期的な臨床データはまだ発展途上

医療用としては比較的新しいため、TiNbコンポーネントの製造とライセンス供与はより複雑になる可能性がある。しかし、その利点は短期的な課題を凌駕する。

TiNb合金の自動車用途

TiNb合金の高強度、耐熱性、疲労寿命は、自動車部品にとって魅力的である：

バルブスプリング

• より高い強度が、より低いバネ質量を可能にする
• 高回転時のバルブ浮きを低減
• より高い出力を可能にする

エンジンバルブ

• 高温排気ガスに耐える
• 摩耗や変形に強い
• 軽量

コネクティングロッド

• 高い強度対重量比
• 往復運動の質量を低減
• より高い回転数とパワーを可能にする

ターボチャージャー・ローター

• 高温でも強度を維持
• クリープ変形に強い
• 耐熱衝撃性
• 低密度

モーターレーシング・コンポーネント

• 軽量サスペンション、シャシー部品
• 優れた疲労寿命

質量と慣性の低減、耐温度性と耐疲労性の向上が、エンジン性能と効率の向上につながる。

自動車用TiNb合金の課題

• 合金鋼に比べて高コスト
• 粉末冶金における加工の難しさ
• 限られたサプライヤーと製造経験
• 不透明な費用対効果

このメリットは、当初は高級車やモータースポーツ向けのプレミアム価格を正当化するかもしれない。より広い範囲での採用は、TiNb粉末メーカーがコストを下げるかどうかにかかっている。

TiNb合金の航空宇宙用途

TiNb合金は、低温での強度を必要とする航空機エンジンや機体用途において、ニッケル超合金と競合している：

エンジン・コンポーネント

• タービンブレード、ディスク、ケーシング
• コンプレッサー・ブレード
• シャフト、ファスナー
• スラストリバーサー

構造部品

• 着陸装置
• ウィング、リブ、ストリンガー
• 機体フレーム
• 油圧チューブ

メリット

• 30-50% Ni超合金より低密度
• 軽量化
• 同等の強度と耐クリープ性
• 高い応力と温度に耐える

課題

• 現在のところ、チタン合金よりも高いコスト
• 錬合金に比べて加工が難しい
• 限られた生産経験と稼働率
• 進化を続ける不動産データ

航空宇宙産業は保守的であるため、TiNbのような新しい合金を採用する前に、実行可能性を証明し、サプライ・チェーンを確立するための広範な試験と認定プログラムが必要である。

TiNb合金のその他の用途

医療、自動車、航空宇宙用途に加え、TiNb合金は以下の用途にも適している：

• 船舶用 - プロペラ、ポンプシャフト、継手
• 化学 - 熱交換器、凝縮器、配管
• スポーツ用品 - ゴルフクラブ、自転車フレーム、ラケット
• 発電 - 蒸気タービン・ガスタービン部品
• エレクトロニクス - スパッタリングターゲット、コンデンサ
• ジュエリー - 時計、指輪、ピアス
• 石油・ガス - ダウンホールツール、バルブ、ポンプ

耐食性、生体適合性、電気的特性により、TiNb合金の有用性は多様な産業分野に広がっている。

継続的な研究開発により、TiNb合金粉末の製造経験が増えるにつれて、新たな用途が発見されるだろう。そのユニークな特性のバランスは、他の材料では実現不可能な設計を可能にするでしょう。

TiNb合金の将来展望

• 高齢化社会とより良いインプラントへのニーズが医療用途の拡大を牽引
• 軽量化のために加速する航空宇宙分野での採用
• 高性能化ニーズで拡大する自動車用途
• 深海探査用ハードウェアに高まる石油・ガスへの関心
• 粉末冶金とAM技術による製造の改善
• 特性に合わせた新グレードを開発中
• TiNb合金の生産能力増強で拡大するサプライチェーン
• 生産量の増加に伴いコストが低下
• 業界を超えた幅広い認知と受容

TiNb合金は、最も要求の厳しい用途において、従来の合金に取って代わる新しい先端材料となる未来は明るい。その成功は、手頃な価格を改善するための継続的な投資にかかっている。

TiNb合金粉末に関する主な要点

• TiNb合金は、チタンと比較して優れた機械的特性を有する。
• 純チタンより強く、硬く、高硬度
• ニッケル/スチール合金よりも密度が低く、強度が高い。
• 卓越した高温性能
• 過酷な環境下でもクリープ、疲労、腐食に強い
• 医療用インプラントの優れた生体適合性
• Ti/Nb比を変えることで特性を調整可能
• 混合元素またはプレアロイ粉末冶金で製造
• 粉末は、AM、HIP、MIM、または焼結を使用して連結することができる。
• 航空宇宙、自動車、生物医学産業における主要なアプリケーション
• 軽量化と高性能化ニーズが後押しする将来性

TiNb合金は、粉末冶金技術によって可能になった先進的な金属材料の画期的な進歩である。製造コストの低下に伴い、軽量、高強度、耐熱合金を必要とするいくつかの産業を破壊する態勢が整っている。

TiNb合金粉末に関するよくある質問

TiNb合金粉末に関するよくある質問にお答えします：

Q: チタン合金に対するTiNb合金の主な利点は何ですか？

TiNb合金は、チタン合金に比べて強度、剛性、硬度、耐摩耗性、高温性能が高い。また、ニッケルやスチール合金よりも密度が低い。

Q: どの産業でTiNb合金が使われていますか？

主な用途は、航空宇宙、自動車、生物医学、化学、海洋、発電産業などである。粉末冶金の生産量の増加に伴い、用途は拡大している。

Q: TiNb合金粉末の一般的な価格帯は？

価格は、組成、品質、注文量に応じて、Ti-10Nbの$100/kg前後からTi-50Nbの$300-800/kgまで幅がある。生産量の拡大に伴い価格は低下している。

Q: TiNb合金粉末の一般的な粒径は？

粒子径は10～150ミクロンが一般的。アディティブ・マニュファクチャリングには10～45ミクロンのファインパウダーが好まれる。150ミクロンまでの粗いパウダーは、プレスや焼結の用途に使用されます。

Q: TiNb合金粉末はどのように製造されるのですか？

主な製造方法には、ガスアトマイズ法、プラズマ球状化法、水素化脱水素法、元素混合法などがある。ガスアトマイズとプラズマ球状化粉末は、AMに好ましい球状形態を有する。

Q: 医療用TiNb合金にはどのような規格が適用されますか？

ISO 5832-11およびASTM F2066規格は、外科用インプラントグレードのTiNb合金の組成、機械的特性、品質管理試験および加工要件について規定しています。

Q: TiNb合金は3Dプリントできますか？

はい、TiNb合金粉末はレーザー粉末溶融炉、電子ビーム粉末溶融炉、指向性エネルギー堆積法3Dプリンティングプロセスに適合します。良好な密度と特性を得るためには、パラメータの最適化が必要です。

Q: TiNb粉末には健康被害はないのですか？

他の金属粉末と同様、TiNb粉末を取り扱う際には、粉塵爆発のリスクや吸入暴露を最小限に抑えるため、一定の注意が必要である。しかし、合金自体は生体適合性が高い。

Q: TiNb合金の採用の見通しは？

軽量、高強度、耐熱性材料の必要性から、TiNb合金の使用は拡大しており、将来は有望である。粉末冶金の製造コストが下がれば、採用は加速するだろう。

TiNb合金粉末の仕様、加工、用途、そして新たな先端材料としての展望に関して、エンジニアが抱く主な疑問点を取り上げています。その他、具体的なご質問はこちらまで。