チタンを使用する理由
重量を減らす
チタンの高強度と低密度(鋼より約40%低い)は、軽量化の多くの機会を提供します。最も良い例は、ボーイング777と787航空機とエアバスA380の着陸装置での使用です。図1は777型機の着陸装置を示す。1 マークされた部品はすべてTi-10V-2Fe-3Alで作られています。この合金の最小引張強度は1,193 MPaです。1,930 MPaで使用される高強度低合金鋼4340Mを交換するために使用されます。この交換により、580 kg以上の軽量化が行われた。1 ボーイング787は、強度がわずかに高く、一定の加工上の利点を有する次世代の高強度チタン合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Crを使用しています。ランディングギア構造でチタンを使用すると、着陸装置の耐食性に対するメンテナンスコストも大幅に削減されます。低密度、高強度のため、自動車用途向けのロッド接続など、レシプロ部品に非常に魅力的です。同様に、ファミリーカーの価格は高すぎますが、米国エネルギー省は、自動車やトラック用のチタン部品の価格を合理的にするために多額の投資を行っています。(チタンはハイエンドのレーシングカーでうまく使われていますが、コストはそんなに大きな問題ではありません)。
スペースの制約
このアプリケーションは、頻繁に表示されませんが、それは重要です。最良の例は、737、747、および 757 で使用される着陸装置のビームです。このコンポーネントは、翼と胴体の間を走り、着陸装置を支えます。他のボーイングの飛行機は、このアプリケーションでアルミニウム合金を使用していますが、上記の飛行機のために、負荷が高く、アルミニウム構造は、翼の封筒に適していません。そのコストがはるかに低いので、アルミニウム合金が最初の選択肢になります。鋼は別のオプションですが、重量は高くなります。
動作温度
エンジンの構造と排気面積は高温で動作するため、主な選択肢はチタン系合金またはニッケルベース合金です。同様に、ニッケル合金は重量を大幅に増加させます。チタンエンジン合金のサービス温度は約600°Cと高い。 プラグやノズルなどの一部のアプリケーション(図2)は、特定の動作条件下で短時間この温度以上の温度に耐えることができます。特殊エンジン合金を除き、チタン合金の温度制限は約540°Cです。 この温度を超えて、酸素汚染が問題となり、表面が脆くなる。チタンはロケットエンジンのインペラーなど、低温の構造物にも使用されています。
耐食性
チタンは、空気にさらされるとすぐに形成される非常にタフな新生酸化物を有する。この酸化物は、優れた耐食性を担っています。航空宇宙環境では、腐食はチタンの要因ではありません。チタンはピットされません。著者の意見では、これは高品質のサービス経験の本質です。使用時には、アルミニウム合金と鋼合金は、最終的には応力ライザーとして機能し、応力腐食や疲労亀裂を引き起こす腐食ピットを形成します。これはチタンでは起こりません。この耐食性は、化学、石油化学、パルプ、紙、建設産業を通して実行されます。チタン及びその合金は、ほとんどの酸化、中性および抑制された還元条件下で優れた耐性を有する。また、人体に耐食性があります。生体適合性も非常に良いです。それは義足の装置で使用され、骨は合理的に設計されたチタニウム構造に成長する。外装用の用途にも市販の純チタンが使用され、日本で始まりました。それは維持を必要としないので外表面で使用される。これらの中で最も有名なのは、スペインのビルバオにあるグッゲンハイム美術館の外観に使用されています。
複合材料の適合性
チタンは、ポリマー複合材料のグラファイト繊維と互換性があります。アルミニウムとグラファイトの間には高い電位があります。湿潤時にアルミニウムが黒鉛に接触すると、アルミニウムは腐食します。ガラス繊維層などの方法で複合材料から分離することができるが、検査や交換が困難な領域では、チタンが保存的な方法として使用される。また、チタンの熱膨張係数(CTE)は黒鉛のそれよりも高いが、アルミニウムのそれよりもはるかに低い。胴体構造の動作温度範囲内であっても、巡航中の–60°Cから暑い天候では+55°Cまで、複合材料に取り付けられたアルミニウム構造のCTEの差が非常に高い負荷を引き起こします。これはチタン構造に問題はありません。明らかに、部品が長ければ長いほど、アルミニウムを使用する問題が大きくなります。
低弾性率
重要な主な領域は、鋼のスプリングの交換です。係数は鋼の約半分なので、コイルの半分の数しか必要とされていない。高強度と密度(鋼材の約60%)を組み合わせることで、鋼スプリングは重量を約70%削減できるのが理想的です。また、チタンは耐食性に優れ、メンテナンスコストを削減します。
鎧
チタンは優れた弾道抵抗を有する。鋼鉄かアルミニウム装甲と比較して、それは関心の現実的な密度で同じ弾道保護を有し、15-35%の重量を減らすことができる、それによって軍用地上戦闘車の重量を大幅に減らすことができる。軽い車は、より良い輸送性と操縦性を持っています。優れた耐食性、低い強磁性、複合材料との相溶性も大きな利点を提供します。アップグレードされた車両にチタンを使用する2つのプロジェクトは、ブラッドリー歩兵戦闘車(図3)とエイブラムス主力戦車です。2 チタンの比較的高いコストは、電子ビーム、冷たい囲炉裏、および単一溶融インゴットで作られたプレートを使用することで、正常に削減されました。3
