Tensile behavior of dual-phase titanium alloys under high-intensity proton beam exposure; Radiation-induced omega phase transformation in Ti-6Al-4V

高強度の陽子ビーム照射下での2相チタン合金の引張挙動; Ti-6Al-4V合金における照射誘起相変態

石田 卓*; 若井 栄一  ; 牧村 俊助*; Casella, A. M.*; Edwards, D. J.*; Prabhakaran, R.*; Senor, D. J.*; Ammigan, K.*; Bidhar, S.*; Hurh, P. G.*; Pellemoine, F.*; Densham, C. J.*; Fitton, M. D.*; Bennett, J. M.*; Kim, D.*; Simos, N.*; 萩原 雅之*; 河村 成肇*; 明午 伸一郎   ; 米原 克也*

Ishida, Taku*; Wakai, Eiichi; Makimura, Shunsuke*; Casella, A. M.*; Edwards, D. J.*; Prabhakaran, R.*; Senor, D. J.*; Ammigan, K.*; Bidhar, S.*; Hurh, P. G.*; Pellemoine, F.*; Densham, C. J.*; Fitton, M. D.*; Bennett, J. M.*; Kim, D.*; Simos, N.*; Hagiwara, Masayuki*; Kawamura, Naritoshi*; Meigo, Shinichiro; Yonehara, Katsuya*

ブルックヘブン研究所のリニアックアイソトープ製造施設において、ビーム窓材料としてのチタン合金を含む加速器ターゲット用の様々な材料試料に対して、181MeVのエネルギーを持つ高強度陽子ビーム照射を行った。引張試験では、+相のTi-6Al-4VのGrade-5及びGrade-23 ELI(侵入型固溶元素の不純物が低い)合金では硬さの増加と延性の大幅な低下が見られたが、相単相に近いTi-3Al-2.5VのGrade-9合金では照射後も数%の均一な伸びを示した。Ti-6Al-4Vに関する透過型電子顕微鏡による解析では、相の各結晶粒に2nm以下のサイズの欠陥クラスターが高密度に存在することが明らかになった。また、相粒には転位ループやブラック・ドットのような照射欠陥は観察されなかったが、回折パターンからは、形成が進んだ段階のオメガ相の析出が確認された。相における放射線誘起の相変態は、相が少ないTi-3Al-2.5V合金と比較して、Ti-6Al-4V合金の延性の損失を大きくさせている可能性がある。

A high-intensity proton beam exposure with 181 MeV energy has been conducted at Brookhaven Linac Isotope Producer facility on various material specimens for accelerator targetry applications, including titanium alloys as a beam window material. The radiation damage level of the analyzed capsule was 0.25 dpa at beam center region with an irradiation temperature around 120 degree C. Tensile tests showed increased hardness and a large decrease in ductility for the dual +-phase Ti-6Al-4V Grade-5 and Grade-23 extra low interstitial alloys, with the near alpha-phase Ti-3Al-2.5V Grade-9 alloy still exhibiting uniform elongation of a few % after irradiation. Transmission Electron Microscope analyses on Ti-6Al-4V indicated clear evidence of a high-density of defect clusters with size less than 2 nm in each alpha-phase grain. The -phase grains did not contain any visible defects such as loops or black dots, while the diffraction patterns clearly indicated omega-phase precipitation in an advanced formation stage. The radiation-induced omega-phase transformation in the -phase could lead to greater loss of ductility in Ti-6Al-4V alloys in comparison with Ti-3Al-2.5V alloy with less -phase.