TiNb 合金粉末

TiNb合金パウダーのインテロダクション

TiNb合金粉末是由钛和 ニオブ 金属。優れた強度、低密度、生体適合性、耐腐食性、疲労性、高温でのクリープ耐性のユニークな組み合わせを提供しています。

TiNb 合金は、純チタンと比較して優れた物理的、化学的および機械的特性を有するチタン金属間物質の広い分類に属します。合金元素としてニオブを添加すると、特定の特性が強化され、特定の用途向けに調整された TiNb 合金が実現します。

TiNb合金粉体の重要な利点は次のとおりです。

• 高い強度重量比
• 極端温度や応力に耐えられる能力
• 過酷な環境でも、摩耗、摩耗、腐食に耐える
• 医療用に生体適合性があり無害
• 積層造形を使用して複雑な形状に処理できる
• エンジニアのための設計の柔軟性を提供

TiNb合金は航空宇宙産業でニッケル系およびコバルト系超合金としのぎを削っています。この合金はバイオメディカルインプラントやデバイス用のステンレス鋼にも代わる可能性を秘めています。TiNb合金は、他の素材では実現できない新しい用途と設計を実現できているのです。

この資料では、組成、性質、加工、用途、仕様、コスト、その他の TiNb 合金粉末の実践的な側面に関する技術的な情報を提供しています。

TiNb合金粉組成

TiNb 合金は、主にチタンとニオブを主要な構成要素として含んでいます。ニオブの含有量は通常、重量パーセントで 10% から 50% の範囲であり、残りはチタンです。

チタンに対するニオブの比率を調整して、特定の特性に最適化されたさまざまなグレードの TiNb 合金を作成できます。一般的な TiNb グレードには次のようなものがあります。

• Ti-10Nb - 10%ニオブ、90%チタン
• Ti-35Nb - 35% ニオブ、65% チタン
• Ti-45Nb-45%ニオブ、55%チタン
• Ti-50Nb – 50% ニオブ, 50% チタン

さらに、ジルコニウム、タンタル、モリブデン、クロムなどのその他の元素を少量加えると、特性をさらに向上させることができます。不純物として酸素と窒素が存在することもあります。

表 1: 一般的な TiNb 合金グレードの化学組成

合金等級	ニオブ含有量	チタン含有量
Ti-10Nb	10%	90%
Ti-35Nb	35%	65%
Ti-45Nb	45%	55%
Ti-50Nb	50%	50%

最終的なTiNb合金製品で望ましい特性を得るには、組成の調整が不可欠です。粉末冶金技術により、構成金属を合金粉末原料に正確に混合できます。

TiNb合金粉特性

TiNb 合金は、優れた機能を発揮する用途に適した、幅広い有用な物理的、機械的、化学的特性を示しています。重要な特性には次のようなものがあります。

物理的特性

• 密度は4.5〜5.5 g/cm³で、鋼やニッケル合金よりも低い
• 融点 ― 組成によって異なる1550～1750℃
• 電気抵抗率 – 0.5～0.6 μΩ・m、純チタンより高い
• 熱伝導度 - 6 ～ 22 W/m･K、チタンより低い

機械的特性

• 引張強度 – 500～1100MPa、ニオブ含有量により増加
• 降伏強度 – 300 ～ 900 MPa
• 延長 – 10～25％
• 硬度 - 200 ～ 350 HV
• 疲労強度 – 400 MPa — 600 MPa

その他の特性

• 耐食性 - 保護酸化層により優れています
• 耐摩耗性 - 硬度优于钛
• 生体適合性 – 非毒性で非アレルギー性

Ti/Nb 比率を調整することで、強さ、延性、硬度、弾性係数などの特性を、アプリケーションの要件に応じて最適化できます。

表 2: Ti-35Nb 合金の典型的特性

プロパティ	価値
密度	5.2g/cm3
融点 (Yūten)	1600'C
引張強度	650 MPa
降伏強度	550 MPa
伸長	15%
弾性係数	60 GPa
硬度	250 HV

TiNb 合金粉末的应用

TiNb 合金の独自の特性は、さまざまな業界の要求の厳しい用途に適しています。

航空宇宙

• エンジンコンポーネント - ブレード、ディスク、ファスナー
• 機体パーツ - 着陸装置、翼、胴体
• 油圧システム - ポンプ、バルブ、アクチュエータ

自動車の

• バルブスプリング、エンジンの バルブ
• コネクティングロッド、ターボチャージャー回転子
• モーターレーシングコンポーネント

生体医療

• 整形外科用インプラント - 膝、ヒップ
• デンタルインプラント、クラウン
• 外科用具
• 医療機器

化学工業

• 熱交換器、反応装置
• ポンプ、バルブ、パイプ
• 耐食設備

その他のアプリケーション

• スポーツ用品 ゴルフクラブ、自転車フレーム
• 高級時計とジュエリー
• 電気接点と接続器
• 高温炉部品

強度、耐熱性、耐食性、生体適合性を兼ね備えたTiNb合金は、これら産業においてより重い材料を代替することができます。

表 3: 業種別 TiNb 合金用途

産業	アプリケーション
航空宇宙	エンジン構成要素、機体パーツ、油圧システム
自動車の	バルブスプリング、エンジンバルブ、コネクティングロッド
生体医療	インプラント、歯科用、外科用器具、装置
化学	熱交換器、反応器、ポンプ、バルブ
その他	スポーツ用品、時計、電気接点、炉部品

TiNb合金粉末の加工

TiNb合金粉末可以通过不同的加工途径生产：

金属粉末混合 (Kinzoku funmatsu kon'kai)

• 必要な配合比でチタンとニオブの元素粉末を混ぜ合わせる
• ブレンドされた粉末混合物を、機械合金化して TiNb 合金粉末を形成します。

ガスアトマイゼーション

• 溶融 TiNb 合金を不活性ガスとともに微細な液滴の中に霧化
• 液滴固化为球形合金粉末颗粒

プラズマ回転電極プロセス（PREP）

• TiNb 電極ロッドはプラズマアークで溶かして、高速で回転させます。
• 求心力が原因で、粒子に破損して固まる

水素化脱水素（HDH）法

• TiおよびNb金属は脆い水素化物粉末に変換されます
• 水素化物粉末をブレンドし、水素化脱離を行い、粉砕してふるい分けられます

適切な製造工程を選択することで、粉末の粒度、形態、流動性、組織構造を制御できます。これは、合体後の最終特性に影響を与えます。

表4：TiNb合金粉末の生産方法

方法	説明	粒子サイズ	形態
機械合金化	Ti粉とNb粉のブレンドと粉砕	10–50ミクロン	無規則な、角ばった
ガスアトマイゼーション	溶融合金の不活性ガス原子化	15～150ミクロン	球状の
プラズマ回転電極	溶損電極の遠心解体	50 ～150ミクロン	球状の
HDHプロセス	水素化、脱水素化、混合パウダーの粉砕	10 ～63ミクロン	無規則な、角ばった

TiNb合金粉のコンソリデーション

粉末冶金のさまざまな複合技術を使用することで、TiNb 合金の粉末は高密度コンポーネントに変換できます。

熱間等方加圧 (HIP)

• カプセル化された粉末は、高温で高圧でHIPされます。

真空焼結

• 粉末を真空炉で圧縮と焼結する

火花プラズマ焼結

• 粉末在脉冲直流电的作用下同时受热和压缩

メタル射出成形（MIM）

• 粉末とバインダーを混合し、成形、焼結除去、焼結

増材製造

• 粉末床溶融（SLM、EBM）または指向性エネルギー堆積（DED）

HIP と真空焼結は、微細構造を維持しつつ、ほぼ完全な密度を実現します。付加製造は、さらに大きな形状の自由度を提供します。固結工程は、所望の特性を達成するために最適化できます。

表5: TiNb合金粉末固結技術

方法	説明	密度	マイクロ構造	幾何学
確固たる計画	高温高圧	ほぼ全密度の	細かい	シンプルな図形
真空焼結	真空炉焼結	ほぼ全密度の	細かい	シンプルな図形
火花プラズマ焼結	パルスパルス電流と圧力	完全密度	超微粒子	シンプルな図形
金属インジェクションモールディング	粉末 + バインダー 造形	ほぼ全密度の	超微粒子	複雑な形状
増材製造	粉末床溶融または指向性エネルギー堆積	ほぼ全密度の	荒っぽい	複雑な形状

TiNb合金粉体の仕様

TiNb 合金粉末有多种技术规格，适合不同的应用：

コンポジション: 10～50％ニオブを含有するグレード

粒径: 10 から 150 マイクロメートル

形態学: 球状、不規則またはブレンド

製造方法: ガス アトマイズ、HDH、ブレンド元素

純粋性: >99.5%チタン、>99.8%ニオブ

酸素濃度: <2000ppm

流動性: ホール流量>23秒/50グラム

見掛け密度: 2.5 g/cc

タップ密度: 3.5 g/cc

化学組成、粒子サイズの分布、形態、流量および密度は通例指定する特性です。特定の用途のために、カスタム合金と粉末の仕様を生産できます。

表 6:Ti-35Nb ガスアトマイズ粉末の典型的な仕様

パラメータ	仕様
合金組成	Ti-35Nb
粒子サイズ	15～45ミクロン
形態	球状の
制作方法	ガスアトマイゼーション
純粋さ	チタン > 99.5%、ニオブ > 99.8%
酸素含量	<1500 ppm
流量	38秒/50g
見掛け比重	¡Ô 2.7 g / cc
打タップ密度	4.2 g/cc

TiNb 合金粉末のサプライヤー

チタンニオブ合金粉末の主要な世界的なサプライヤーを次に示します。

• AP＆C － チタンおよびニオブ合金粉末
• アトランティック・イクィップメント・エンジニアーズ ー 球形および角形粉末
• TLS テクニック – ガスアトマイズ TiNb 合金
• メタルテクノロジー™ブレンドされたエレメントと予め合金されたパウダー
• Sandvik Osprey – ガスアトマイズ球状粉末
• カーペンター・アディティブ – カスタム合金粉末

TiNb 合金は、チタンおよびニオブ金属のサプライヤーからも提供されています。標準化された合金の両方と特注の組成の両方をこれらの粉末メーカーから調達できます。

表 7: TiNb 合金粉末供应商

会社	マテリアル	生産手法
AP&C	チタン、ニオブ、チタンニオブ合金	ガスアトマイゼーション
アトランティック・エクイップメント・エンジニア	チタン、ニオブ、チタンニオブ合金	ガス アトマイゼーション、ブレンド
TLS テクニック	チタン-ニオブ合金	ガスアトマイゼーション
金属技術	チタン-ニオブ合金	ブレンドした元素、プレアロイ
サンドビック オスプレイ	チタン-ニオブ合金	ガスアトマイゼーション
カーペンター アディティブ	カスタムTiNb合金	ガスアトマイゼーション

TiNb 合金粉末の製造コスト

TiNb 合金粉末比单一的钛粉末或铌粉末要贵。成本取决于：

• 成分 - ニオブ含有量が増えるとコストが高くなる
• 純度 – 純度が高いほどコストが増加する
• 粒子サイズと分散
• 製造方法 - ガス原子化粉末のコストは高いです。
• 注文数量 - 大量のご注文ほど割安になります

少量のTiNb合金パウダーの概算価格:

• Ti-10Nb: 1キログラムあたり100ドルから300ドル
• Ti-35Nb: 200～500ドル/kg
• Ti-50Nb: kgあたり300ドル～800ドル

数百キロ、数トンなどの大量注文の場合、価格は大幅に割引されます。

Table 8: TiNb 合金粉末の目安価格

合金	価格設定（USドル/kg）
Ti-10Nb	$100 – $300
Ti-35Nb	$200 – $500
Ti-50Nb	$300 – $800

TiNb合金粉末的处理和储存

反応性金属粉末として、以下に注意してTiNb合金粉末に対処してください:

• 酸化および汚染を防ぐため、乾燥非活性雰囲気中で密閉容器の中に格納
• 酸素、湿気、油、可燃物との接触を避けてください。
• 微細粉末が表面または機器に堆積するのを防止します
• 取り扱い中に使用するすべての導電機器を接地する
• 火花の出ない工具を使用し、粉塵の発生を最小限にします。
• 取り扱う際は手袋や呼吸器保護具などを着用してください。
• アース付き換気システムを使用し、粉塵雲を避けてください
• 熱、炎、火花、その他の発火源に近づけないでください
• 適切な PPE と予防策については製品安全データシートに従ってください。

適切に乾燥した不活性雰囲気で保管した場合、TiNb 合金粉末の標準的な保管期間は 12 か月です。不適切な保管条件では酸化、流動性の低下、または発火の危険につながる可能性があります。

表 9: TiNb 合金粉末处理指南

パラメータ	ガイドライン
ストレージ	密閉容器、不活性乾燥雰囲気
大気	酸素、水分、油、可燃物を避ける
装置	すべての導電性設備を接地
ツール	非火花工具を使用する
換気	接地换气系统
PPE	手袋、呼吸保護
予防策	熱、火、火花を避ける
貯蔵寿命	12か月間不活性雰囲気中に放置されました。

TiNb 合金粉末の安全データシート

他の反応性金属粉末と同様に、TiNb合金にはいくつかの重要な安全上の注意事項があります。

• 個人用保護具（PPE）を着用 – 手袋、目の保護具、マスク/呼吸器
• 粉末を吸い込まないようにする – 呼吸保護具を使用する
• 肌や目に触れないようにしてください
• 粉末を扱う後は十分に洗い流してください
• 着火源に近づけないでください。粉末類は引火性があります。
• 適切な接地と換気を利用する
• 酸化を防ぐ不活性貯蔵雰囲気
• こぼしたり、埃が表面にたまるのを避ける
• SDSと警告ラベルの指示に従って下さい

応急処置：

• 吸入：移至新鮮空氣中。必要時，請尋求醫療協助。
• 皮膚への接触: 石鹸と水で洗います。刺激が続く場合は、医療機関を受診してください。
• 目との接触：水を15分間目にかけて洗い流してください。医療機関で対応してもらってください。
• 飲み込む場合：水を飲む。不快感が発生した場合は医師に相談する。

常に取り扱いと加工前に、サプライヤーのSDSを参照して、TiNb合金粉末の完全な健康および安全情報を把握する必要があります。

表 10: チタン - ニオブ合金パウダーの安全に関する主な対策

安全性項目	予防策
PPE	手袋、ゴーグル、N95マスク
吸入	呼吸器保護具を使用する
スキンコンタクト	感染した部分を石鹸と水で洗う
アイコンタクト	15 分間、目を水で洗浄する
摂取	水を飲んでください。必要に応じて、医師の診察を受けてください。
換気	接地排気フードを使用する
grounding	機器を扱うときは、必ずグルンドしてください
点火	火花、炎、熱源を避ける
ストレージ	可燃性材料から離れた不活性雰囲気

TiNb 合金粉末の品質検査

TiNb合金粉末が仕様を満たしていることを確認するために、さまざまな品質検査が行われます。

• 化学分析?- ICP、GDMSまたはLECO分析で組成と純度を確認
• 粒子サイズ分析？- サイズ分布用レーザー回折法またはふるい分け
• 形態?- SEM画像による粒子の形状と表層トポロジーの検査
• 流量粉体流动性のホールフロー試験
• 密度?- aparente densidade e medidas de densidade de torneira
• 酸素/窒素?- 間隙不純物の不活性ガス溶融分析
• フェーズ識別- 相の特定のためのXRD分析

パウダーの特性は、ASTM B939, ASTM F3049, EN 10204 3.1などの品質基準に基づいて、各バッチで試験されます。均一性を得るために、ロット間でパウダーをブレンドすることができます。

表 11: TiNb 合金粉末的試験方法

テスト	方法	標準
作曲	ICP、GDMS、LECO	ASTM E1479、ASTM E2330
粒度分布	レーザー回折法、ふるい	ASTM B822
形態	SEMイメージング	ASTM B822
流量	ホール流量計	ASTM B213
密度	（複数人による）スコット ボリューム	ASTM B212
酸素/窒素	不活性ガス融合 (Futsuisei Gasu Yuugou)	ASTM E1019
フレージアナライシス	X線回折法	ASTM E1876

TiNb 合金の医学的応用

TiNb合金は生体適合性、高強度、低弾性率を備えているため、医療用インプラントおよび機器に広く使用されています。

整形外科インプラント

• 膝と股関節の置換術
• ボーンプレート、スクリュー
• 脊椎固定器具
• インプラントおよびブリッジ

Ti-35NbやTi-45NbなどのTiNb合金は、高い疲労強度を提供しながらも、ヒトの骨の弾性率を一致させています。これは、より硬いチタン合金と比較して、応力遮蔽を低減します。

心血管機器

• ステント
• ペースメーカーのケーシング
• ガイドワイヤー
• 外科用具

チタンニオブ合金の耐蝕性、非毒性、非磁性は、血液に接触するデバイスや組織に適しています。

医療用TiNb合金グレード

• Ti-10Nb から Ti-50Nb
• 調整した特性の Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Ta
• ISO 5832-11 および ASTM F2066 標準

低弾性率のTi-35NbおよびTi-45Nbが一般的に使用されます。高いNbは強化されますが弾性率も増加します。少量のZr/Taの添加がさらに特性を向上させます。

生物医学用途中のTiNb合金の利点

• 優れた生体適合性と骨結合
• 高強度で疲労抵抗性が高い
• 骨に近くて弾性係数が低い
• 非毒性、非アレルギー性
• 耐食性
• 非磁性

TiNb 合金は、インプラントにとって最高レベルの強度、生体適合性、耐腐食性、および弾性率を備えています。

TiNb合金医療用コンポーネント の課題

• 困難な機械加工または製造
• Ti-6Al-4V 合金より高価です。
• 厳格な品質管理とテストを必要とする
• 長期的な臨床データはまだ進化中

医療用途には比較的新しいので、TiNbコンポーネントの製造とライセンスはさらに複雑になる可能性があります。しかし、その利点は短期的課題を上回っています。

TiNb合金の自動車用途

優れた強度、耐熱性、耐疲労性が、TiNb合金を自動車部品向けの جذابな選択肢にしています。

バルブスプリング

• 強度が高いほど、ばねの質量は低くなります
• 高回転でのバルブのフロートを低減する
• より高出力が出力可能

エンジン バルブ

• 高温廃棄ガスにも耐えます
• 摩耗や変形に強い
• 軽量

コネクティングロッド

• 高い強度重量比
• 往復質量を削減
• より高い回転数とパワーを可能にする

ターボチャージャーローター

• 高温にさらされても強度を維持
• クリープ変形に耐える
• 耐熱衝撃性
• 低密度

モーターレーシングコンポーネント

• 軽量サスペンション、車台部品
• 優れた耐疲労性

低質量と耐熱・耐疲労性と相まって慣性の低減により、エンジン性能と効率が向上

車載用のTiNbアロイの課題

• 鉄合金と比較してコストが高い
• 粉末冶金の加工の難しさ
• 限定された供給者と製造の経験
• 費用対効果の見通しが不透明

そのメリットは、高級車やモータースポーツにとって、当初はプレミアム価格を正当化するものとなるでしょう。より一般的な採用は、TiNb粉末メーカーによるコストの削減にかかっています。

TiNb合金の航空宇宙用途

チタンニオブ合金は、低温で強度を必要とする航空機エンジンと機体用途で、ニッケル超合金と競合しています。

エンジンコンポーネント

• タービン ブレード、ディスク、ケーシング
• コンプレッサーのブレード
• 軸、ファスナー
• 逆推力装置

構造部品

• 車輪
• 翼, リブ, ストリンガー
• 機体フレーム
• 油圧チューブ

メリット

• Ni超合金よりも30～50％低密度
• 重量を軽減する
• 同様の強度、クリープ抵抗
• 高いストレスや高温に耐えることができます

課題