チタン合金Ti-6Al-4Vの性能を最大限発揮するWPC処理

航空機や医療機器、自動車部品などに広く使われているチタン合金 Ti-6Al-4V。
軽くて強く、錆びにくい優れた材料ですが実は疲労破壊に弱い一面があります。

チタン合金は一度疲労亀裂が発生すると、途中で止まらず破断まで進行する性質があります。そのため表面の状態が寿命を大きく左右する材料なのです。

そこで注目されているのがWPC処理です。

Ti-6Al-4Vは現在世界でもっとも使用されているチタン合金です。

名前の意味は次の通りです。

Ti-6Al-4Vは軽くて強く腐食しにくいという特徴があり、航空機、医療インプラント、高性能機械部品などで使用されています。

鋼の場合疲労亀裂が途中で止まることがあります。しかしチタンは違います。表面に発生した亀裂は止まらず進行するという特徴があります。つまり目に見えない小さな傷があるだけで、疲労寿命が大きく低下します。逆に言えば表面を改質すれば寿命を大きく伸ばせるということです。

弊社で行っているWPC処理は微細粒子を高速で材料表面に衝突させる表面改質技術です。

粒子衝突によって表面には次の変化が起こります。

① 表面硬化

粒子衝突により塑性変形が起こり、硬化層（加工硬化層）が形成されます。

② 結晶の微細化

表面の結晶粒が細かくなり、材料強度が向上します。

③ 圧縮残留応力の導入

表面に圧縮残留応力が生まれ、疲労亀裂の発生を抑制します。

過去に行われた研究では、チタン合金 Ti-6Al-4V に対して未処理材・ショットピーニング・WPC処理 の3種類の表面状態を比較し、疲労強度への影響を調べました。

その結果、WPC処理が最も高い疲労強度を示すことが確認されています。

未処理材と比較すると最大で約36％の疲労強度向上が確認されました。

これは金属材料の表面処理としては非常に大きな改善率であり、チタン合金の耐久性を大幅に高めることができる技術といえます。

なぜWPC処理はここまで高い効果を発揮するのでしょうか。

主に次の3つの表面改質効果によって説明できます。

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微粒子が高速で衝突すると材料表面に塑性変形が発生します。
研究では表面近傍の硬さが大きく増加し、数十µm程度の硬化層が形成されることが確認されています。

この硬化層は表面の摩耗を抑え亀裂の発生を遅らせるという効果を持ち疲労強度向上に大きく貢献します。

WPC処理で最も重要な効果が圧縮残留応力です。

粒子衝突によって表面が塑性変形するとその変形した層は内部材料に拘束されます。
その結果、表面には圧縮応力が残ります。

この圧縮残留応力には亀裂の発生自体を抑える、または進展を遅らせるという効果があります。

WPC処理は表面近傍に大きな応力のピークがあることが確認されています。これが疲労寿命向上の大きな理由の一つです。

研究で疲労亀裂の発生位置を観察したところ、亀裂は表面から発生することが確認されています。

ショットピーニングは粒子が大きいため表面に損傷が入りやすいです。

一方、WPC処理は粒子が非常に細かく表面ダメージが小さいという特徴があります。

その結果、疲労亀裂の発生をより効果的に抑えることができるのです。

チタン合金Ti-6Al-4VにWPC処理を行うと表面近傍が硬くなり圧縮残留応力が付与されます。未処理材と比較すると最大で約36％の疲労強度向上が確認されています。

チタン合金は表面から疲労破壊が始まりやすい材料です。軽くて強く腐食しにくいチタン合金Ti-6Al-4Vの性能を最大に引き出すには、WPC処理は非常に有効な表面改質です。