先進的なチタンメーカーIperionXは、米国国内のチタンサプライチェーンを再構築するために一連のチタン特許技術を開発しています。

この投稿は warrior bear によって 2023-12-13 20:31 に最後に編集されました。

IperionX は、航空宇宙、航空宇宙、電気自動車、3D プリントなどの先進産業向けに高品質のチタン資源と派生製品の提供に取り組んでいる、米国の大手チタン製品開発会社です。同社は、水素補助熱金属還元（HAMR）や水素焼結相転移（HSPT）など、画期的な特許取得済みのチタン製造技術を数多く保有しています。これらの技術により、低炭素かつ完全に循環型のチタン製品を生産することができ、米国国内のチタン製造産業の発展に大きな意義があります。
IperionX は、高度なチタン生産技術により、米国国内のチタン原材料サプライチェーンに、より低コストで持続可能なサプライチェーンを提供できる可能性があります。 IperionX は、ユタ州の稼働中のパイロットプラントでチタンスクラップからチタン金属粉末を生産しており、バージニア州のチタン実証プラントで生産規模を拡大する予定です。 IperionX は、チタン、希土類、ジルコンが豊富に含まれる米国最大の JORC 準拠の鉱物砂資源を有する Titan プロジェクトの 100% の権益を保有しています。
応用事例<br /> 2023年8月、Antarctic Bearは、IperionXがLockheed Martinとチタン部品の注文を締結したと報告しました。IperionXは、粉末冶金プロセスと先進的なチタン粉末材料を使用して、Lockheed Martin - Antarctic Bear 3D Printing Network - Platform（nanjixiong.com）向けのチタン部品を生産します。メリーランド州ベセスダに本社を置くロッキード・マーティンは、世界中で約 116,000 人の従業員を擁し、高度な技術システム、製品、サービスの研究、設計、開発、製造、統合、維持に主に従事している世界的なセキュリティおよび航空宇宙企業です。
10月、IperionXは伝統的なメーカーであるGKN Aerospace（GKNはリサイクルチタン3DプリントにIperionXを使用 - 南吉雄3Dプリントネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com））と協力協定を締結し、GKN Aerospaceが提供するスクラップチタン原料を使用して100％リサイクルチタン粉末を生産しました。両プロジェクトは、チタン部品の微細構造を強化して、鍛造チタン合金に匹敵する強度と疲労性能を実現する最先端技術である、IperionX の特許取得済み水素焼結および相変態 (HSPT) 技術を活用しています。
HAMR 低酸素チタン粉末製造技術 - 画期的な科学技術<br /> まず、水素補助マグネシウム還元（HAMR）と呼ばれる新しい粉末製造プロセスを紹介します。粉末冶金業界では、鉄、タングステン、コバルトなどの一般的な金属は、炭素（または水素）によって酸化物から金属に還元することができます。 TiO2 化合物中の Ti-O 結合は非常に安定しているため、この還元法で二酸化チタンを調製することは困難です。 1940 年、ウィリアム・クロールは、炭素熱反応で TiO2 を塩素化して TiCl4 を生成し、それを真空中で溶融マグネシウムで還元して蒸留し、スポンジチタン (主な金属) を生成するという、この課題を克服するプロセス (クロールプロセスと呼ばれる) を発明しました。このスポンジは複数回真空溶解されてチタンインゴットを形成し、その後熱間加工されて圧延製品になります。
しかし、IperionX の Zak Fang 博士は 2016 年に、水素が Ti-O 結合を不安定化させるため、TiO2 は水素雰囲気中の固体マグネシウムによって還元できることを発見しました。この原理はリサイクルされたチタンスクラップの脱酸素にも当てはまります。なぜなら、機械加工スクラップによく見られる、最も除去が難しい不純物は表面に吸収された酸素だからです。そこで、Zak Fang は 2 段階の水素支援マグネシウム還元 (HAMR) 技術を開発しました。
△異なるプロセスで製造された CP-Ti または Ti–6Al–4V 粉末の SEM 顕微鏡写真: (a) クロール (スポンジ微粒子)、(b) アームストロング、(c) HAMR、(d) FFC、(e) 水素化脱水素化 – HDH、(f) 回転電極噴霧法 – PREP、(g) プラズマ噴霧法。 △ HAMRプロセスの主な処理手順の図解。 HAMR で使用される精製 TiO2 は、アルカリ焙焼、塩化物プロセス、または硫酸塩プロセスによって製造できます。
水素を使用すると多くの利点があります。まず、水素は Ti-O 系の安定性を破壊し、Mg と Ti-O 間の反応の熱力学的駆動力を増加させます。水素を使用するもう 1 つの利点は、還元プロセス中にチタン金属ではなくチタン水素化物が生成されることです。チタン水素化物はα-Tiよりも空気中で酸化されにくいことはよく知られており、これにより還元後の材料の取り扱いが容易になり、最終製品中の酸素含有量を制御することが容易になります。 HAMR プロセスのもう一つの重要な特徴は、溶融塩、特に MgCl2 などのマグネシウム含有塩の使用です。反応を促進し、還元プロセスの速度論を大幅に改善するには、溶融塩を使用する必要があることがわかりました。 HAMR プロセスでは、脱酸素ステップを使用して、最終製品粉末の酸素含有量が十分に低く、つまり汎用 Ti に対する ASTM-B299-13 の 0.15wt-% 要件を下回るようにします。脱酸素化プロセスの詳細については、次のセクションで説明します。還元と脱酸素のステップの組み合わせ、つまりこれら 2 つのステップを使用して TiO2 から酸素を除去することは、十分に低い酸素含有量の Ti 粉末を製造できる重要な要素の 1 つです。HAMR は、鉱物や廃棄物からチタン金属を製造する能力に革命をもたらしました。これは、これまでは想像もできなかったことです。
△ Ti-O結合に対する水素の影響異なる重量割合のTi-O結合（実線）と異なる重量割合のTi-OH結合（破線）@ 700 Coは不安定である
HSPT焼結技術——高品質鍛造チタン合金に匹敵する品質<br /> 水素焼結および相変態 (HSPT) は、IperionX の広範なチタン技術特許ポートフォリオの一部である独自の技術です。この技術は、2011 年に Fang、Sun、Paramore らによって開発されたプロセスです。これは、チタン水素化物または部分水素化チタン粉末をマスター合金と混合する多段階の無加圧焼結プロセスです。元素粉末を粉砕し、動的に制御された水素雰囲気で焼結します。焼結後、真空または不活性ガス下でのアニールにより残留水素が除去されます（下図参照）。 HSPT は、(Ti 合金)-H システムの相変態を利用して、熱サイクル中に微細構造を同時に改良します。
△ HSPT焼結曲線図
HSPT プロセスは、IperionX が特別に開発した低コストのプロセスであり、鍛造微細構造と機械的特性を備えた高性能なニアネットシェイプチタン合金部品を生産します。 HSPT は、鍛造プロセスに匹敵する機械的特性を備えながら、鍛造プロセスに伴う高コストと排出物を回避します。このプロセスでは、HAMR によって生成された不規則な粉末を原料として受け入れます。
△ HSPT焼結組織△真空焼結組織
HSPT テクノロジーと HAMR テクノロジーを組み合わせることで、最も困難な用途向けの高品質チタン部品をコスト効率よく持続的に生産するための明確なルートが提供されます。

関連研究リンク1: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/09506608.2017.1366003 関連研究リンク2: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894715015016

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