国立大学法人宇都宮大学山本篤史郎准教授、本学物理工学専攻林好一教授を中心とする研究グループは、公立大学法人広島市立大学、国立大学法人熊本大学、公益財団法人高輝度光科学研究センターとの共同研究により、チタン合金を製造する際に添加されるレアメタル近傍の原子移動モデルを解明し、チタン合金の更なる高強度化とコストダウンに資する合金設計の新たな指針となる知見を得ました。
チタン合金は鉄鋼材料と比べて、比重が約半分、強度が同程度であるため、航空機において高い荷重がかかる部品に採用される動きが広がっています。また、生体適合性が高いため、眼鏡フレームや人工骨などにも用いられています。チタン合金には結晶構造の異なる相が主に2種類あり、α相とβ相と呼ばれています。このうち、β相は結晶構造が体心立方構造で、高強度でありながら機械加工しやすい特徴があり、β相を含むチタン合金の利用が近年急速に広がっています。
β相を含むチタン合金を作製するためには、ニオブ、タンタル、バナジウムなどの高価なレアメタルを添加した上で様々な熱処理を行う必要があります。しかし、その熱処理によってチタン合金の強度を低下させて加工性を劣化させる微細なナノ相（ω相）も同時に生じます。したがって、必要最小限のレアメタル添加量でチタン合金中のω相の生成を抑制すると同時に、β相の割合を最大化できれば、低コストで優れた軽量高強度構造用材料を実用化できます。
チタン合金に添加するレアメタルはこれまで経験的に選択されており、どのレアメタルが最もβ相を生じさせる能力があるかわかっていませんでした。本研究では、チタンとレアメタルの一種であるニオブの2種類の元素からなるチタン合金中に含まれるニオブ原子の周囲の原子配列を、蛍光X線ホログラフィーと呼ばれる原子配列を三次元可視化できる手法を用いて調査しました。その結果、β相中はもちろん、ω相中でさえニオブの周囲はβ相の原子配列に近いことを発見しました。これにより、ニオブを添加することによって、チタン合金中のβ相の割合が増加する効果が、原子配列の観点から実証されました。
今後、チタン合金に添加されることの多いその他のレアメタルについても同じ実験を行うことにより、レアメタルが持つβ相増大効果を比較できるようになり、最適な軽量高強度チタン合金の開発に貢献するものと期待されます。

本研究内容は平成29年4月28日に、金属材料学で最も権威のある雑誌Acta Materialiaにオンライン掲載されました。