チタンの新たな時代

Sep 01, 2023

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が磨かれただけです。 「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・マイナーは言います。 建物、飛行機、ミサイル、宇宙船などに使用される「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。」と彼は言います。 できるなら、すべてをチタンで作りたいです。」

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？ 「それは高すぎます」とマイナー氏は、最も強く、最も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語ります。 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。