Innovation of titanium smelting and refining process using hydrogen plasma

令和4年度は以下の4項目に関して研究を遂行した。(1)溶解用チタン合金の作製：酸素除去（脱酸）の対象とする合金としては、チタン合金の中も最も使用量が多いα+β型Ti-6Al-4V合金を選択した。酸素濃度を約0.15mass%、0.3mass%, 1.5mass%の3レベルで変化させることとした。0.15mass%酸素材は市販のTi-6Al-4V合金をそのまま用い、0.3mass%および1.5mass%酸素材はコールドクルーシブル溶解により約10kg溶製した。これにより制御された酸素濃度を有するTi-6Al-4V合金での脱酸溶解実験が可能となった。(2)水素プラズマアーク溶解条件の検討：半球状鋳型の溶解系において水素プラズマ溶解条件を検討した。水素プラズマアーク溶解→アルゴンプラズマアーク溶解の二段階プロセスではTi-6Al-4V合金融体からの酸素除去が確認された。水素プラズマ溶解のみのワンステッププロセスでも酸素濃度の低下は観察されたものの二段階プロセスと比較すると酸素除去の程度は低かった。(3)引き抜き機構を有する溶解系の構築：チタン融体の溶融域の拡大および得られるインゴットの均一性向上を目的に、プラズマアーク溶解用の引き抜き鋳型を導入した。作製メーカーと綿密な打ち合わせを行うとともに予算を勘案して、直径30mmの引き抜き鋳型を設計・設置した。棒状のTi-6Al-4V合金をサイド部からフィードする構造となっている。引き抜き鋳型を用いた水素プラズマアーク溶解およびアルゴンアーク溶解を行い、いずれの溶解実験においても均一なインゴットが得られることを確認した。(4) チタン融体の熱物質流動解析：プラズマ溶解中のチタン合金の溶融領域および融体流速計算を行った。チタン溶融深さは実験値と良い一致が見られ、融体表層ではマランゴニ流が支配的であることを示した。

令和4年度は以下の4項目に関して研究を遂行した。(1)溶解用チタン合金の作製：酸素除去（脱酸）の対象とする合金としては、チタン合金の中も最も使用量が多いα+β型Ti-6Al-4V合金を選択した。酸素濃度を約0.15mass%、0.3mass%, 1.5mass%の3レベルで変化させることとした。0.15mass%酸素材は市販のTi-6Al-4V合金をそのまま用い、0.3mass%および1.5mass%酸素材はコールドクルーシブル溶解により約10kg溶製した。これにより制御された酸素濃度を有するTi-6Al-4V合金での脱酸溶解実験が可能となった。(2)水素プラズマアーク溶解条件の検討：半球状鋳型の溶解系において水素プラズマ溶解条件を検討した。水素プラズマアーク溶解→アルゴンプラズマアーク溶解の二段階プロセスではTi-6Al-4V合金融体からの酸素除去が確認された。水素プラズマ溶解のみのワンステッププロセスでも酸素濃度の低下は観察されたものの二段階プロセスと比較すると酸素除去の程度は低かった。(3)引き抜き機構を有する溶解系の構築：チタン融体の溶融域の拡大および得られるインゴットの均一性向上を目的に、プラズマアーク溶解用の引き抜き鋳型を導入した。作製メーカーと綿密な打ち合わせを行うとともに予算を勘案して、直径30mmの引き抜き鋳型を設計・設置した。棒状のTi-6Al-4V合金をサイド部からフィードする構造となっている。引き抜き鋳型を用いた水素プラズマアーク溶解およびアルゴンアーク溶解を行い、いずれの溶解実験においても均一なインゴットが得られることを確認した。(4) チタン融体の熱物質流動解析：プラズマ溶解中のチタン合金の溶融領域および融体流速計算を行った。チタン溶融深さは実験値と良い一致が見られ、融体表層ではマランゴニ流が支配的であることを示した。