チタンの新たな時代 (1)

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、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この金属に名前を付けました。

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・マイナーは言います。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、強度が高く、軽量で、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。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てきました。

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。しかし、それは多くの場合、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、マイナー氏と同学科の教授であるマーク・アスタ、ダリル・クルザン、JWモリス・ジュニアを含むバークレー校の同僚らのおかげで、大幅に拡張された工学応用を含むチタンの新時代が近づいているかもしれない。材料科学と工学の博士号を取得。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。

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、および同僚らは、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、アルミニウムやスチールなどの金属では、同量の酸素の存在は、加工の際にはるかに簡単に処理できるため、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。

研究チームの主要な発見のうち、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ひび割れ、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。」

（つづく）