3Dプリント金属材料：チタンおよびチタン合金材料

この投稿は Little Raccoon によって 2017-5-9 20:40 に最後に編集されました。

チタンは、高強度、優れた耐腐食性、高耐熱性などの特性を持つ重要な構造金属であり、航空機エンジンのコンプレッサー部品の製造や、ロケット、ミサイル、航空機のさまざまな構造部品の製造に広く使用されています。 2013年1月、北京航空航天大学の王華明氏のチームは、「航空機チタン合金の大型複雑一体部品のレーザー成形技術」で国家技術発明賞の最優秀賞を受賞しました。今日はチタンとチタン合金材料に関する知識をいくつかお伝えします。

チタンは1950年代に開発された重要な構造用金属です。純チタンは銀白色の金属で、化学的性質が比較的活発で、多くの優れた特性を持っています。チタン合金はチタンをベースに他の元素を加えた合金です。チタン合金は、強度が高く、耐腐食性、耐熱性に優れているという特徴があります。
3D プリント技術で作られたチタン合金部品は、強度が非常に高く、寸法も正確で、機械的特性も鍛造で作られたものより優れています。チタン合金は生体適合性が高く、機械的特性も優れているため、主に生体医療材料、航空宇宙、精密機器などに使用されています。
チタン合金には以下のような優れた特性があります。 1. 比強度が高い。チタン合金の密度は鋼のわずか60％です。純チタンの強度は普通鋼に近く、一部の高強度チタン合金は多くの合金構造用鋼の強度を上回ります。そのため、チタン合金の比強度（強度/密度）は他の金属構造材料に比べてはるかに高く、単位強度が高く、剛性に優れ、軽量な部品の製造に使用できます。現在、航空機のエンジン部品、フレーム、外板、留め具、着陸装置はすべてチタン合金で作られています。 2. 高い熱強度。チタン合金の動作温度はアルミニウム合金より数百度高く、450℃～500℃の温度で長時間動作することができます。アルミニウム合金の使用温度は200℃以下です。 3. 耐腐食性に優れています。チタン合金は湿気の多い雰囲気や海水媒体でも機能し、耐食性はステンレス鋼よりもはるかに優れており、特に孔食、酸腐食、応力腐食に対して耐性があります。 4. 低温性能が良好。チタン合金は低温でも機械的特性を維持できます。たとえば、TA7 は -253℃ でも一定の可塑性を維持できます。そのため、チタン合金は低温構造材料としても重要です。
チタンおよびチタン合金材料の応用
1. バイオメディカルへの応用チタン合金は、その優れた生体適合性と耐腐食性により医療分野で広く使用されており、人工関節、骨外傷、脊椎整形外科用内部固定システム、手術器具などの医療製品の好ましい材料となっています。 3D プリントされたインプラント用チタン合金材料は、個人の要件に応じてカスタマイズできます。たとえば、3D プリント技術を使用して作成された下顎は、患者の患部の曲線にぴったりフィットします。最もよく知られている生物学的特性を持つ金属材料として、3Dプリントの医療分野におけるチタンの市場需要は拡大し続け、その応用展望は広範囲にわたります。
2011年、ベルギーのハッセルト大学生物医学研究所の研究者らは金属製の下顎骨を開発し、LayerWise社製の3Dプリンターを使用して、83歳の女性にカスタマイズされたチタン合金製の下顎骨を取り付けた。これは世界初のこの種の手術であり、3Dプリント移植の臨床応用の始まりとなる。
3D プリントで作られたチタン合金製の下顎骨 (画像出典: www.slate.com)
チタン合金製の医療用インプラント
2. 航空宇宙における応用 1950 年代以降、チタン合金は航空宇宙分野で急速に発展してきました。この用途では主に、チタン合金の優れた機械的特性、低密度、および優れた耐食性を活用します。チタン合金は、現代の航空機やエンジンの主要な構造材料の 1 つです。コックピットや換気ダクトの部品、着陸装置ブラケット、翼、その他の航空機部品は、すでに 3D プリントを使用して製造できます。
3D プリント技術を使用して作られた航空機部品 (画像提供: 3ders.ory)
レーザーニアネットシェーピング技術（LENS）を使用して製造されたチタン製航空機翼部品（画像提供：ノースウェスタン工科大学）
2017年5月5日、我が国初の完全に独立した知的財産権を持ち、最新の国際耐空基準に従って開発された基幹民間航空機であるC919が、初飛行に成功しました。翼の主な荷重支持部品である中央翼フランジは、西北工科大学の黄衛東教授チームの研究開発成果です。また、機体前部と中央後部の搭乗ドア、サービスドア、前後の貨物ドアにも、3Dプリントされた金属製部品が23個使用されています。
C919 航空機の搭乗ドアの 3D プリントされたチタン合金機構部品の分布図 (写真提供: Antarctic Bear)
3. 自動車製造への応用チタンおよびチタン合金で作られた自動車部品は、燃料を節約し、エンジンの騒音を低減し、耐用年数を延ばすことができます。英国企業がチタン金属粉末を使用してインペラやターボチャージャーなどの自動車部品の印刷に成功した。
チタン金属粉末で3Dプリントされたタービンインペラ
4. 他の分野への応用チタン合金は、その優れた特性により、自転車、テニスラケット、ゴルフクラブなどに広く使用されています。 3D プリントされたチタン合金製品は、密度が低く、強度が高く、軽量であるため、スポーツ用具に独自の利点をもたらします。例えば、チタン合金製のゴルフヘッドは、通常のステンレス鋼製のゴルフヘッドよりも正確に、より遠くまで打つことができます。
自転車のフレームは3Dプリントされたチタン合金粉末で作られています（画像提供：レニショー）
チタン 3D プリントで作られた自転車ディレイラープーリー (画像提供: CeramicSpeed)
チタンは簡単にさまざまな色に陽極酸化処理できるため、時計や宝飾品業界で広く使用されています。写真は、rvnDSGN チームが 3D プリント技術を使用して作成した時計です。時計のメインケース、フレーム、ストラップアクセサリーはすべて、3DプリントSLS（選択的レーザー焼結法）を使用して作られています。焼結プロセスにより、ミディアムグレーからダークグレーまで変化する細かい質感が生まれます。

3Dプリントチタン時計

3D プリントされたチタンジュエリー (画像提供: FutureFactories.com)

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