本稿では、ニオブ-ハフニウム-チタン-ジルコニウム-タンタル-タングステン合金とその最適化された製造プロセスを提案する。製造手順は、粉末冶金と多段階溶解・鍛造戦略を組み合わせたものである。具体的には、タングステン（W）、タンタル (Ta)、ニオブ (Nb)の粉末を順次混合、圧縮、真空焼結して、予備合金ブランクを作製する。このブランクを、少なくとも2回の電子ビーム炉溶解サイクルでさらに精製し、均質なNb-Ta-Wマスター合金を得る。表面に酸化防止コーティング処理を施した後、Nb-Ta-Wマスター合金を熱間鍛造して、規格に適合した合金ビレットを作製する。続いて、ハフニウム（Hf）、チタン (Ti)、ジルコニウム (Zr) 板材をタングステン不活性ガス（TIG）溶接によりビレットの外面に溶接し、消耗電極を作製する。最後に、真空消耗溶解により電極を少なくとも3回再溶解する。この最適化されたプロセスにより、多成分ニオブ合金の化学組成分布が均一になり、製造工程全体が簡素化され、低酸素含有量の精密な制御と正確な組成調整が実現し、合金の総合性能への悪影響を効果的に排除できます。
ニオブ・ハフニウム・チタン・ジルコニウム・タンタル・タングステン合金（商品名：C-103ニオブ合金）は、低強度・高延性のニオブ系構造材料の代表例です。優れた熱間加工性を有し、熱間押出、熱間鍛造、圧延、溶接性に優れ、棒材、管材、帯材など様々な形状に加工できます。高周波振動耐性と低温耐性に優れているため、航空宇宙および推進システムに幅広く応用されています。代表的なサービスコンポーネントには、液体ロケットエンジンのノズル延長部、軌道マニューバリングエンジン、高延性姿勢制御エンジン、放射冷却式推力室などがあり、宇宙船、ロケット、ジェット推進エンジンのコア構造部品として機能します。
真空消耗再溶解は、C-103ニオブ合金の主流の製造技術であり、特注の消耗電極に依存しています。C-103合金製造における技術的な難しさは、構成元素間の融点差が大きいことにあります。代表的な耐火金属であるW、Ta、Nbは、TiやZrよりも800℃以上高い極めて高い融点を有しています。この合金はNbを質量分率の高い主要マトリックス元素としているため、高融点・高密度のW、Ta、NbをHf、Ti、Zrと直接圧縮して一体型の消耗電極を形成することは不可能です。したがって、W、Ta、Nb元素の合理的な添加方法は、C-103ニオブ合金の高品質製造を阻害する主要なボトルネックとなっている。各構成元素の具体的な融点は以下のとおりである。タングステン：3410±20℃、タンタル：2995℃、ニオブ：2468℃、ハフニウム：2227℃、ジルコニウム：1852℃、チタン：1668℃。
純粋なNbおよびTaと比較すると、従来のNb-Taマスターアロイは融点と密度が低く、融点勾配は、純粋なNb、純粋なTa、純粋なW > Nb-Taマスターアロイ > Ti、Zr、Hfとなる。この特性により、消耗溶融中にマスターアロイと低融点構成元素との間で比較的安定した溶融マッチングが可能となるため、Nb-Taマスターアロイ添加法は、TaおよびNbの導入に関する既存のプロセスで広く採用されている。しかしながら、Nb-Taマスターアロイは、冶金的準備段階においてTiおよびZrよりも高い融点と密度を有する。このミスマッチは、溶融プロセスにおいて未溶融のNbおよびTa断片の発生を容易に引き起こし、最終合金製品における微細構造の偏析および組成の不均一性を招く。さらに、合金スクラップの二次添加により酸素不純物が混入し、低酸素含有量の制御不良および合金性能の不安定化につながる可能性がある。
既存のニオブ系合金製造技術には、顕著な微細構造偏析、組成不均一性、制御不能な低酸素含有量、不正確な成分調整など、合金の性能を低下させる多くの欠点があることを踏まえ、本研究では、新規なニオブ-ハフニウム-チタン-ジルコニウム-タンタル-タングステン合金とその最適化された製造プロセスを開発しました。提案する技術は、上記の技術的な課題を効果的に解決し、均一な化学組成分布、簡略化された製造手順、精密な低酸素制御、正確な組成調整を実現することで、対象合金の性能低下を回避します。
多成分ニオブ合金の最適化された製造プロセスは、以下のように詳細に説明できます。まず、高融点のW、Ta、Nb粉末を原料として用い、これらを順次混合、電極成形、真空焼結します。得られた予備焼結体を2回の電子ビーム炉溶解にかけ、均一なNb-Ta-W合金インゴットを製造します。インゴットはその後、角型合金棒に鍛造され、棒の表面にHf、Ti、ZrのプレートをTIG溶接で接合して複合消耗電極を作製する。真空消耗電極の再溶解を3サイクル繰り返すことで、均質なニオブ-ハフニウム-チタン-ジルコニウム-タンタル-タングステン合金が作製される。
酸素制御に関しては、Nb-Ta-Wマスター合金は熱間鍛造前に酸化防止層でコーティングされ、鍛造中に発生した酸化スケールはプレーニング処理によって完全に除去される。この手順により、熱間加工段階における酸素の混入が大幅に抑制され、最終合金の低酸素レベル制御精度が著しく向上する。組成安定性の観点から、従来のTi-Nb-Taマスターアロイに代わりNb-Ta-Wマスターアロイを採用することで、焼結時のTi元素の高温揮発による組成変動や性能劣化を解消できます。
さらに、電子ビーム溶解により、高融点のWとTaがNbマトリックスと十分に合金化され、結果としてマスターアロイ全体の融点が間接的に低下します。その後の真空アーク再溶解により、Nb-Ta-Wマスターアロイと低融点のHf、Ti、Zrとの効果的な複合化が実現します。アーク再溶解の過程で、Nb相とTa相は多孔質の骨格構造へと変化し、高融点金属成分の均一な溶解と拡散を促進します。この構造的進化により、W、Ta、Nb相の偏析リスクが根本的に解消され、従来のC-103ニオブ合金における微細構造の不均一性や成分偏析といった長年の問題が解決され、最終的に均一な微細構造と安定した組成を持つ高性能ニオブ・ハフニウム・チタン・ジルコニウム・タンタル・タングステン合金が製造される。
