ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Высокая стоимость деталей из титановых сплавов определяется высокой материалоемкостью при механической обработке, плохой обрабатываемостью, вызванной низкой теплопроводностью и высокой химической реактивностью с материалами режущего инструмента, что является сдерживающим фактором для широкого использования. Применение аддитивных технологий позволяет снизить затраты при производстве изделий из титановых сплавов за счет изготовления высокоточных заготовок, которые в дальнейшем требуют минимальной механической обработки. При этом ключевым требованием при изготовлении таких заготовок является сохранение высоких механических характеристик как самого исходного материала, так и изготавливаемой детали в целом. Электронно-лучевая проволочная аддитивная технология обладает большим потенциалом как с точки зрения высокой производительности, так и в плане получения материалов с уникальной структурой и высокими механическими свойствами. Целью работы является изучение структуры, фазового состава и микротвердости образцов из сплава Ti-6Al-4V, полученных с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии. Результаты и обсуждение. На основании данных оптической, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа показано, что полученные после послойного выращивания образцы Ti-6Al-4V имеют гетерогенную микроструктуру, которая включает в себя помимо формирующихся в процессе эпитаксиального роста столбчатых предшествовавших β-зерен со средним размером не выше 1,5 мм систему ортогональных пластин мартенситной α¢-фазы. При этом по направлению к вершине построенного образца уменьшается толщина пластин α’-фазы и количество остаточной β-фазы (от 4 мкм и 10 об.% для нижнего слоя, до 2 мкм и 5 об.% – для верхнего). Обнаружен эффект повышения значений твердости по Виккерсу с ростом высоты наплавленных слоев до значений порядка 3,5 ГПа. Хорошее согласие с соотношением Холла–Петча показывает, что эффект повышения твердости в направлении послойного выращивания реализуется в основном за счет градиентной микроструктуры, формирующейся вследствие сложной термической истории.

1. Banerjee D., Williams J.C. Perspectives on titanium science and technology // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 3. – P. 844–879. – doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2012.10.043.

2. Singh S., Ramakrishna S., Singh R. Material issues in additive manufacturing: a review // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 25. – P. 185–200. – doi: 10.1016/j.jmapro.2016.11.006.

3. Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium // Progress in Materials Science. – 1981. – Vol. 26, iss. 2–4. – P. 123–403. – doi: 10.1016/0079-6425(81)90001-3.

4. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62, iss. 2. – P. 267–275. – doi: 10.1007/s40194-017-0537-7.

5. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties / T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.

6. The origin of microstructural diversity, texture, and mechanical properties in electron beam melted Ti-6Al-4V / S.S. Al-Bermani, M.L. Blackmore, W. Zhang, I. Todd // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2010. – Vol. 41, iss. 13. – P. 3422–3434. – doi: 10.1007/s11661-010-0397-x.

7. Microstructure evolution during surface alloying of ductile iron and austempered ductile iron by electron beam melting / A. Gulzar, J.I. Akhter, M. Ahmad, G. Ali, M. Mahmood, M. Ajmal // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 20. – P. 8527–8532. – doi: 10.1016/J.APSUSC.2009.06.011.

8. Microstructures and mechanical properties of electron beam-rapid manufactured Ti–6Al–4V biomedical prototypes compared to wrought Ti–6Al–4V / L.E. Murr, E.V. Esquivel, S.A. Quinones, S.M. Gaytan, M.I. Lopez, E.Y. Martinez, F. Medina, D.H. Hernandez, E. Martinez, J.L. Martinez, S.W. Stafford, D.K. Brown, T. Hoppe, W. Meyers, U. Lindhe, R.B. Wicker // Materials Characterization. – 2009. – Vol. 60, iss. 2. – P. 96–105. – doi: 10.1016/J.MATCHAR.2008.07.006.

9. Hrabe N., Quinn T. Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti–6Al–4V) fabricated using electron beam melting (EBM), part 1: Distance from build plate and part size // Materials Science and Engineering A. – 2013. – Vol. 573. – P. 264–270. – doi: 10.1016/J.MSEA.2013.02.064.

10. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: a critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials and Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.

11. Basak A., Das S. Epitaxy and microstructure evolution in metal additive manufacturing // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46. – P. 125–149. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070115-031728.

12. Karimzadeh F., Ebnonnasir A., Foroughi A. Artificial neural network modeling for evaluating of epitaxial growth of Ti6Al4V weldment // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 432, iss. 1–2. – P. 184–190. – doi: 10.1016/J.MSEA.2006.05.141.

13. Stanford N., Bate P.S. Crystallographic variant selection in Ti–6Al–4V // Acta Materialia. – 2004. – Vol. 52, iss. 17. – P. 5215–5224. – doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2004.07.034.

14. Microstructural evolution and mechanical property of Ti-6Al-4V wall deposited by continuous plasma arc additive manufacturing without post heat treatment / J. Lin, Y. Lv, Y. Liu, Z. Sun, K. Wang, Z. Li, Y. Wu, B. Xu // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2017. – Vol. 69. – P. 19–29. – doi: 10.1016/J.JMBBM.2016.12.015.

15. Roy L. Variation in mechanical behavior due to different build directions of Ti6Al4V fabricated by electron beam: a thesis / The University of Alabama. – Tuscaloosa, 2013. – URL: https://ir.ua.edu/handle/123456789/1891 (accessed: 07.11.2018).

16. Baufeld B., Brandl E., Biest O. Wire based additive layer manufacturing: comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211. – P. 1146–1158. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.01.018.

17. Intra-layer closed-loop control of build plan during directed energy additive manufacturing of Ti–6Al–4V / A.R. Nassar, J.S. Keist, E.W. Reutzel, T.J. Spurgeon // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 6. – P. 39–52. – doi: 10.1016/j.addma.2015.03.005.

18. The effects of forced interpass cooling on the material properties of wire arc additively manufactured Ti6Al4V alloy / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, Z. Fei // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 258. – P. 97–105. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.03.024.

19. Deformation characteristics of age hardened Ti-6Al-4V / G. Welsch, G. Lütjering, K. Gazioglu, W. Bunk // Metallurgical Transactions A. – 1977. – Vol. 8, iss. 1. – P. 169–177. – doi: 10.1007/BF02677278.

20. Correlation between tensile strength and hardness of electron beam welded TC4-DT joints / W. Lu, Y. Shi, X. Li, Y. Lei // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22, iss. 6. – P. 1694–1700. – doi: 10.1007/s11665-012-0469-8.