酸素でもろくなるはずのチタンを酸素で強くすることに成功

チタンは軽いのに強い金属で、高い性能が求められる産業で広く使われています。

ところがこの金属には、昔から手を焼かされてきた相手がいます。

それは、チタンの中にどこにでも入り込んでくる元素、酸素です。

チタン合金に酸素が多く混ざると、伸びる力が失われ、もろく割れやすくなるとされてきました。

そのため、最もよく使われるチタン合金では、酸素の量が規格で低く抑えられています。

ところが今回、その「敵」のはずの酸素を、あえて多めに含ませたチタン合金が作られました。

研究チームが目をつけたのは、酸素の「量」ではなく、合金の中での「置き場所」です。

酸素をどこに置けば、チタンは強く、しかもよく伸びる金属になるのでしょうか？

研究の詳細は、2026年11月3日付で学術誌『Nature Communications』に掲載されました。

チタン合金の中には「間取りの違う2つの部屋」がある

今回の主役は、チタンにアルミニウムを重さで6%、バナジウムを4%混ぜた「Ti-6Al-4V」という合金です。

チタン合金の代表格で、チタンの市場の5割を超えるほど使われています。

この合金の標準的な規格「グレード5」では、酸素は重さで0.20%未満と決められています。

酸素が増えると、伸びる力が一気に失われてしまうのを防ぐためです。

ただし最近は、酸素をうまく使えば、合金の中に役立つ構造を作れるという見方も出てきました。

その工夫を理解するには、この合金の中身を知っておく必要があります。

Ti-6Al-4Vの中には、原子の並び方が違う2種類の結晶が混ざっています。

研究者たちは、それぞれをα(アルファ)相、β(ベータ)相と呼んでいます。

1つの建物の中に、間取りの違う2種類の部屋が並んでいるようなものです。

α相とβ相が混ざった合金では、これまで酸素を味方にする工夫は、ほとんどがα相という部屋の中だけの話でした。

では、2つの部屋がそろっている合金で、β相にも十分な酸素を送り込んだらどうなるでしょうか。

研究チームは、そこで新しい役立つ構造が生まれ、性能が上がるかもしれないと考えました。

そこで使われたのが、酸素を多く含んだチタンの粉です。

研究チームはこの粉を材料に、層を積み重ねて形を作る方法(積層造形)で合金を作りました。

このとき、酸素をα相とβ相の両方に狙って振り分けるのがポイントです。

合金全体に含まれる酸素は重さで0.39%と、規格の上限のおよそ2倍にあたります。

酸素2倍のチタン棒10センチ、切れるまでに何センチ伸びる？

研究チームは、できあがった合金を、室温で引っ張る試験にかけました。

どれだけの力に耐え、どこまで伸びてから切れるかを見るためです。

その結果、引っ張りに耐えられた最大の強さは約1200メガパスカルでした。

断面が1平方ミリの棒なら、およそ120キロの重さをつり下げられる計算です。

それでいて、この合金は切れるまでに約23.5%も伸びました。

10センチの棒なら、12センチ余りまで伸びてから、ようやく切れることになります。

比較のため研究チームは、酸素の量が同じ0.39%の別の合金も調べました。

こちらも強さは約1230メガパスカルと、高いままでした。

ところが、伸びは約2%まで落ちてしまいました。

割れ方も、結晶の粒の境目に沿って裂ける、典型的なもろい壊れ方でした。

酸素の量は同じなのに、置き場所しだいで「よく伸びる合金」と「すぐ割れる合金」に分かれたのです。

一方、酸素を重さで0.09%しか含まない、もう1つの比較用の合金は、強さが約930メガパスカル、伸びが約20.1%でした。

酸素を規格の2倍も含む新しい合金のほうが、酸素の少ない合金より強く、伸びもわずかに上回っていたことになります。

強さと伸びを掛け合わせて「両立の度合い」を比べると、標準的なグレード5の2倍を超えていました。

では、β相に送り込まれた酸素は、合金の中で何をしていたのでしょうか？

電子顕微鏡で詳しく見ると、β相の中に、大きさ約4ナノメートルの、酸素の多い小さな領域が見つかりました。

4ナノメートルは、1ミリの25万分の1という小ささです。

これは、β相の原子が位置をずらして生まれた新しい並びで、O'(オー・プライム)相と呼ばれます。

O’相が初めて見つかったのは2016年のことです。

ふつうはβ相だけでできたチタン合金の中で、何段階もの熱処理や激しい変形といった厳しい条件のもとでできるものでした。

O’相は新しい合金の中にだけ見られ、比べた2つの合金には見つかりませんでした。

比べた合金では、β相の酸素が原子の数で0.17%と0.28%しかなく、足りなかったためです。

新しい合金のβ相の酸素は、酸素の少ない合金の5.5倍、酸素の量が同じ合金の3.5倍にもなっていました。

研究チームは、β相の酸素が原子の数で約1.1%という値を境目として示しています。

これを超えると、酸素にとってはβ相よりもO’相の方が入りやすい場所になります。

今回の合金では、酸素を2つの相に狙って振り分けたことでβ相に多くの酸素が入り、β相からO’相への変化が引き起こされたと研究チームは説明しています。

酸素は、もろさの原因になるどころか、β相の中に新しい構造の「種」をまいていたことになります。

引っ張られると目を覚ます4ナノの「仕掛け」

では、この小さなO’相は、どうやって合金をよく伸びるようにしたのでしょうか？

研究チームは、合金を引っ張りながら、その内部を非常に強いX線(放射光)で観察しました。

力がかかっている最中に、結晶がどう変わっていくかをその場で追いかけるためです。

研究チームが注目したのは、変形の途中でβ相とO’相から返ってくる信号の強さでした。

調べると、O’相とそのまわりのβ相が、引っ張る力をきっかけに別の並びへ組み変わっていました。

この新しい並びは、α”(アルファ・ダブルプライム)相と呼ばれます。

力をきっかけに原子の並びが切り替わるこうした変化は、マルテンサイト変態の一種で、専門的には「応力誘起マルテンサイト変態」と呼ばれます。

つまりO’相は、この組み変わりを起こすための「下準備」の役を担っていたのです。

さらに、生まれたα”相の中には、ナノメートルの大きさの双晶(そうしょう)ができていました。

双晶とは、結晶の一部が、鏡に映したように向きを反転させた構造のことです。

研究チームは、並びの組み変わりと双晶の両方が働き、合金の伸びる力を大きく高めたと説明しています。

力を受けて変形するときに働く「伸びしろ」を、酸素が合金の中に仕込んでいたともいえます。

研究チームは今回の成果を、チタン合金の設計で酸素を狙って使うための一般的な原則だとしています。

さらに、酸素で汚れたチタンの廃材を再利用できる可能性も示したと述べています。

ただし、実際の廃材から合金を作る道筋は、今回はあくまで可能性として示された段階です。

また、今回の結果は、酸素の多い粉を使った積層造形という作り方で得られたものです。

それでも「酸素は少ないほどよい」という長年の常識は、この合金では「どこに置くか次第」に書き換わりました。

規格の2倍の酸素を抱えたチタンは、もろく割れるどころか、引っ張られると中で並びを組み変えながら2割以上も伸びていたのです。

参考文献

Strategically tuning oxygen in multiple phases for high-performance titanium alloys (Nature Communications)
https://doi.org/10.1038/s41467-026-79303-0

元論文

Strategically tuning oxygen in multiple phases for high-performance titanium alloys
https://doi.org/10.1038/s41467-026-79303-0

ライター

山下 浩介: むずかしい研究を、なるべく分かりやすく伝えたい。専門の言葉はふだんの言葉に置きかえて、身近な例で例える。それで「わかった」「楽しかった」と言ってもらえたら嬉しいです。 好きなのは、通学路や台所や日常の中にある科学。眠っているあいだに記憶が整理される話や、虫の鳴き方に意味がある話のように、読み終わったあとに誰かへ話したくなる研究を探しています。

編集者

ナゾロジー 編集部