チタン Ti6Al4V ELI パウダー
チタンTi6Al4V ELI粉末は、航空宇宙、医療、自動車、および特殊用途の高性能付加製造部品を可能にするニッチを切り開きました。その調整された組成は、チタン合金の強度、耐破壊性、生体適合性の利点を維持しながら、有害な不純物を最小限に抑えます。
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目次
概要
チタンTi6Al4V ELI粉末は、航空宇宙、医療、自動車、その他要求の厳しい産業における3Dプリンティング、積層造形、金属射出成形用途に広く使用されている高性能チタン合金です。
Ti6Al4V ELIは、標準的なTi6Al4Vに比べ、酸素、窒素、炭素、鉄の含有量が少ないグレード5チタンの「超低間充てん」材です。その結果、延性、破壊靭性、疲労強度、耐高温クリープ性が向上します。
金属粉末原料として、Ti6Al4V ELIは、粉末床溶融や指向性エネルギー堆積法3Dプリンティングを使用して、複雑な形状や軽量で高強度な構造を製造することができます。部品は、従来の鍛造または鋳造のTi6Al4V部品に匹敵する微細な表面仕上げと機械的特性で製造することができます。
以下では、Ti6Al4V ELIパウダーについて、組成、特性、仕様、価格、用途、CPチタンやステンレス鋼パウダーのような代替品との比較など、より詳しくご紹介します。
構成
チタン Ti6Al4V ELI 粉末の公称組成は以下の通り：
| エレメント | 重量 % |
|---|---|
| アルミニウム（Al） | 5.5 – 6.75 |
| バナジウム (V) | 3.5 – 4.5 |
| 酸素 (O) | <= 0.13 |
| 窒素（N） | <= 0.05 |
| カーボン（C） | <= 0.08 |
| 水素(H) | <= 0.0125 |
| 鉄（Fe） | <= 0.25 |
| チタン（Ti） | バランス |
主要な合金元素であるアルミニウムとバナジウムは、熱処理時に固溶体強化および析出硬化メカニズムを通じてチタンマトリックスを強化する役割を果たします。
ELIタイプは、O、N、C、Feなどの格子間不純物を厳密に管理し、高温での延性と耐破壊性への悪影響を最小限に抑えます。
プロパティ
プレアロイ粉末状態のTi6Al4V ELI合金の主な特性を以下に示す：
機械的特性
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 引張強度 | ≥ 895 MPa (130 ksi) 以上 |
| 降伏強度 | ≥ 825 MPa (120 ksi) |
| 伸び | ≥ 10% |
| 硬度 | 334 HV（32 HRC） |
物理的性質
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 密度 | 4.43 g/cm3 |
| 融点 | 1604〜1660°C（2920〜3020°F） |
| 熱伝導率 | 6.7 W/m-K |
| 電気抵抗率 | 170 - 190 μΩ-cm |
印刷特性
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 印刷工程 | レーザー - PBF、EBM<br>アーク - DED |
| 粒子径 | 15 - 45 μm |
| 見かけ密度 | ≥ 2.7 g/cm3 |
| 流量 | ≥ 30 s/50 g |
サービス条件
| プロパティ | 価値 |
|---|---|
| 最高使用温度 | 400 - 500°C (750 - 930°F) |
| 耐食性 | 総合的に優れている |
| 溶接性 | 素晴らしい |
| 熱処理性 | ソリューション・トリート＋年齢 |
アプリケーション
チタンTi6Al4V ELI合金粉末のユニークな特性は、それに適しています：
航空宇宙
- 構造用ブラケット、ハウジング、エンジン部品
- 機体およびヘリコプター部品、翼、胴体
- 宇宙船推進システム、スラストノズル
メディカル＆デンタル
- 整形外科インプラント - 股関節、膝、脊椎固定
- インプラント、クラウン、ブリッジ、アバットメント
自動車
- コネクティングロッド、バルブ、ターボチャージャーホイール
- モータースポーツギア - エンジンブロック、ブレーキキャリパー
ケミカル
- 原子炉容器、熱交換器、パイプ、タンク
- ポンプ、バルブ、反応塔、スクラバー
その他
- スポーツ用品 - 自転車、ゴルフクラブ、フレーム
- 防衛 - 装甲車、防護板
- エネルギー - 坑口部品、流体端部品
以下の表は、金属AM技術を使用して製造されたTi6Al4V ELIコンポーネントの代表的な用途をまとめたものである：
| 産業 | アプリケーション | メリット |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、エンジンブラケット | 軽量化、パフォーマンス |
| バイオメディカル | 股関節、頭蓋インプラント | 生体適合性、オッセオインテグレーション |
| 自動車 | コンロッド、ブレーキキャリパー | 軽量化、カスタム形状 |
| エネルギー | 流体端部品、坑口部品 | 耐食性、在庫削減 |
Ti6Al4V ELI粉末を使用した積層造形は、それを可能にすることで評価されている：
- 軽量化 - スチールやニッケル合金より軽い
- 部品の統合 - ファスナーや溶接の数を減らす
- カスタマイズされた形状 - トポロジーの最適化
- 廃棄物の削減 - 原材料の使用を最小限に抑える
- ジャスト・イン・タイム生産 - リードタイムの短縮
仕様
チタン Ti6Al4V ELI 粉末製品は、以下の仕様に準拠しています：
| スタンダード | タイプ/グレード指定 | 作曲の限界 |
|---|---|---|
| ASTM F2924 | Ti6Al4V ELI | ASTM F136によるO、Fe、N、Cの制限値 |
| ASTM F3001 | グレード23 ELI | Al、V、O、N、Cの範囲 |
| ISO 23377 | Ti6Al4V ELI | O、N、C、H制限 |
ASTM B214に適合する一般的なサイズ等級は以下の通りである：
| グレード | 粒子径（μm） | 酸素含有量（%） |
|---|---|---|
| -100+325メッシュ | 45 - 149 | 0.08 - 0.13 |
| -200メッシュ | ≤ 75 | ≤ 0.14 |
| -325メッシュ | ≤ 45 | ≤ 0.12 |
高解像度の印刷には、10μmまでの微細な粒子径が利用できるかもしれない。
サプライヤーと価格
以下は、Ti6Al4V ELI粉末の世界的な大手サプライヤー数社と、一般的な価格（キログラム当たり米ドル）の表である：
| サプライヤー | 価格（$/kg） |
|---|---|
| エーピーアンドシー | $275 – $325 |
| カーペンター添加剤 | $250 – $300 |
| GKNホエガネス | $290 – $380 |
| プラクセア | $310 – $350 |
| サンドビック・オスプレイ | $280 – $335 |
2024年現在の平均価格は、ASTM F2924またはAM用途に合わせた同様の仕様に適合するTi6Al4V ELI粉末で$300/kg前後である。
プレミアムグレードであるELI粉末は、標準的なTi6Al4V粉末（～$150～$200/kg）に対して100%近い価格プレミアムがつく。
価格設定に影響を与える要因には、注文量、粒度分布、格子間物質の含有量、形態、見かけ密度、流動特性などがある。
比較
Ti6Al4V ELI vs. Ti6Al4V
- 超低間充てん材（ELI）は、より純度が高く、延性があり、強靭で一貫性がある。
- ELI等級は、酸素、窒素、炭素、鉄のレベルが低い。
- Ti6Al4V ELIはTi6Al4V粉末より約100%高い。
- それ以外の特性は非常に似ており、Ti6Al4Vはほとんどの用途で十分な性能を発揮する。
- 航空宇宙のような産業では、ジェットエンジンや機体の重要な回転部品にELIグレードが義務付けられている。
Ti6Al4V ELI vs CP チタン グレード 2
- Ti6Al4V ELIは強度が高く、引張強さと降伏強さが50%以上向上している。
- CPチタンの生体適合性と耐食性を保持している。
- 合金添加により、Ti6Al4Vの成形性は低下するが、強化のための熱処理は可能である。
- CPチタン・グレード2は硬度が低く、使用中の摩耗が早いが、安価である。
- どちらも、人工股関節や人工膝関節のような整形外科用インプラントによく使われる素材だ。
Ti6Al4V ELIとステンレス鋼316Lの比較
- Ti6Al4V ELIは密度が低く、316L鋼のほぼ半分であるため、重量が軽い。
- 密度が低いため、比強度が2～3倍高い。
- スチールは加工しやすいが、腐食の問題がある。
Ti6Al4V ELIとインコネル718の比較
- インコネル718は、アニール処理されたTi6Al4V ELI合金よりも50%以上高い引張強さを有する。
- しかし、インコネルは密度が2倍近く高いため、強度の優位性はほとんど失われる。
- Ti6Al4V ELIは、300℃までの高温でも強度を維持する。
- インコネル718は700℃までの耐酸化性を持つが、機械加工はかなり難しい。
- ニッケル合金もチタン粉末も、航空宇宙エンジンや機体部品に広く使用されている。
Ti6Al4V ELIとコバルトクロム（CoCr）の比較
- 生体適合性のある金属合金として、CoCrは人工膝関節や人工股関節のような医療用インプラントでTi6Al4V ELIと競合している。
- Ti6Al4V ELIは、強度、延性、破壊靭性のより理想的な組み合わせを持っている。
- オッセオインテグレーションを促進し、骨の成長を促進します。
- CoCr合金は、金属イオンの溶出という問題があり、炎症を引き起こす危険性がある。
- Ti6Al4VのELIは整形外科の耐荷重インプラントに好まれ、CoCrは歯科用途に多く使用されている。
長所と短所
チタンTi6Al4V ELIの利点：
- 優れた強度対重量比
- 低密度は軽量部品につながる
- 高温下でも特性を維持
- 過酷な環境下での耐腐食性
- バイオイナート - 人体組織による拒絶反応を回避
- 粉末原料がAMによる複雑で最適化された形状を可能にする
- 業界を超えた幅広い用途
デメリット
- 鉄粉やアルミ粉より高価
- ニッケル合金よりも低い引張強度と疲労強度
- 硬度と耐摩耗性が低いため、コーティングが必要
- 高温での酸素との反応性
- 他の金属に比べて熱伝導率、電気伝導率が低い。
結論
チタンTi6Al4V ELI粉末は、航空宇宙、医療、自動車、および特殊用途の高性能付加製造部品を可能にするニッチを切り開いた。
その調整された組成は、チタン合金の強度、耐破壊性、生体適合性の利点を維持しながら、有害な不純物を最小限に抑えます。
部品設計の自由度、迅速な試作、廃棄物の削減、在庫の節約により、Ti6Al4V ELIの市場はさらに拡大する。
金属AMが成熟するにつれて、航空宇宙だけでなく、インプラント、モータースポーツ用部品、流体ハンドリング・ハードウェアなどにも広く採用されることが予想される。
よくあるご質問
Q: Ti6Al4V粉末のELI指定とはどういう意味ですか？
A: ELIとは "extra low interstitial "の略で、延性と破壊靭性を向上させるためにO、N、C、Hの不純物をより厳しく管理することを意味します。
Q: Ti6Al4V ELIは医療用や航空宇宙用として承認されていますか？
A: はい、ASTM F2924やISO 23377のような主要な標準化団体がTi6Al4V ELIの組成を認めています。
Q: Ti6Al4V ELI 粉末は、熱間静水圧プレス（HIP）の後処理が必要ですか？
A: 必ずしもそうとは限りません。今日のAMマシンは、HIPなしで鋳造/展伸材に匹敵する99%以上の緻密なTi6Al4V構造を実現できます。
Q: 3DプリントしたTi6Al4V ELI部品を熱処理したり時効硬化させることはできますか？
A: はい、溶体化処理と時効処理により、60HRC以上の析出硬化が可能となり、1,200MPa以上の極限引張強度が得られます。
Q: Ti6Al4V ELI粉末の再利用は、印刷部品の特性にどのような影響を与えますか？
A:再利用されたパウダーは、酸素のピックアップが増加し、延性が低下する可能性があります。
Q: Ti6Al4V ELI溶接には不活性ガス・シールドが必要ですか？
A: はい、高純度のアルゴン・シールドが変色や脆化を防ぎます。
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