ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Ti6Al4V – один из наиболее распространенных в различных отраслях промышленности α+β-титановых сплавов, обладающий высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью. Аддитивные технологии позволяют изготавливать детали из Ti6Al4V со сложной геометрией. Однако дефекты, неоднородность и анизотропия микроструктуры изготавливаемых деталей влияют на их механические свойства. Цель работы: исследование микроструктуры и механических свойств деталей из Ti6Al4V. Исследованы плотность (распределение) и неоднородность дефектов микроструктуры и механических свойств деталей, изготовленных методами селективной лазерной плавки, электронно-лучевой плавки и искрового плазменного спекания. Количественно оценена неоднородность механических свойств (т. е. твердости), а также изучено влияние стратегии лазерной переплавки на микроструктурную неоднородность. Методы исследования. Детали из Ti6Al4V были изготовлены с использованием аддитивных технологий, включая селективную лазерную плавку и электронно-лучевую плавку. Детали из Ti6Al4V также были изготовлены методом электроискрового плазменного спекания, в процессе которого применялась стратегия лазерной переплавки (сканирование каждого слоя три раза). Изучено влияние лазерной переплавки на дефекты, микроструктуру и механические свойства и проведено сравнение с селективной лазерной плавкой (сканирование каждого слоя один раз), электронно-лучевой плавкой и электроискровым плазменным спеканием. Результаты и обсуждение. Микроструктура пластин α/α′ была представлена в образцах, полученных селективной лазерной плавкой, включая образцы в исходном состоянии и переплавленные (SLM и SLM-RM). Установлено, что твердость образца, полученного селективной лазерной плавкой (335 HV), оказалась выше по сравнению с образцом, полученным искровым плазменным спеканием (305 HV). При использовании стратегии переплавки в селективной лазерной плавке твердость увеличивалась и становилась более однородной. Были изучены средний размер и нерегулярность формы пористости в образцах, полученных селективной лазерной плавкой, и замечено, что поверхностная пористость уменьшалась при применении стратегии переплавки. Лазерная переплавка влияет на производительность процесса селективной лазерной плавки. Результаты показали, что эти процессы синтеза указывают на различные микроструктурные и механические свойства сплавов Ti6Al4V.

1. Microstructure and mechanical behavior of Ti-6Al-4V produced by rapid-layer manufacturing, for biomedical applications / L.E. Murr, S.A. Quinones, S.M. Gaytan, M.I. Lopez, A. Rodela, E.Y. Martinez, D.H. Hernandez, E. Martinez, F. Medina, R.B. Wicker // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2009. – Vol. 2. – P. 20–32. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2008.05.004.

2. A study of the microstructural evolution during selective laser melting of Ti-6Al-4V / L. Thijs, F. Verhaeghe, T. Craeghs, J.V. Humbeeck, J.-P. Kruth // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58 (9). – P. 3303–3312. – DOI: 10.1016/j.actamat.2010.02.004.

3. Vilaro T., Colin C., Bartout J.D. As-fabricated and heat-treated microstructures of the Ti-6Al-4V alloy processed by selective laser melting // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2011. – Vol. 42. – P. 3190–3199. – DOI: 10.1007/s11661-011-0731-y.

4. Ductility of a Ti-6Al-4V alloy produced by selective laser melting of prealloyed powders / L. Facchini, E. Magalini, P. Robotti, A. Molinari, S. Höges, K. Wissenbach // Rapid Prototyping Journal. – 2010. – Vol. 16 (6) – P. 450–459. – DOI: 10.1108/13552541011083371.

5. Linear patterning of high entropy alloy by additive manufacturing / J. Karimi, P. Ma, Y.D. Jia, K.G. Prashanth // Manufacturing Letters. – 2020. – Vol. 24. – P. 9–13. – DOI: 10.1016/j.mfglet.2020.03.003.

6. Karimi J., Antonov M., Prashanth K.G. Effect of wear debris entrapment on the tribological performance of AlCoCrFeNi produced by selective laser melting or spark plasma sintering // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2022. – Vol. 53. – P. 4004–4010. – DOI: 10.1007/s11661-022-06805-z.

7. Karimi J., Kollo L., Prashanth K.G. Characterization of gas-atomized equiatomic AlCoCrFeNi powder for additive manufacturing // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2023. – Vol. 54. – P. 3417–3424. – DOI: 10.1007/s11661-023-07129-2.

8. Karimi J., Kollo L., Prashanth K.G. Tailoring anisotropy and heterogeneity of selective laser melted Ti6Al4V alloys // Transactions of the Indian National Academy of Engineering. – 2023. – Vol. 8. – P. 245–251. – DOI: 10.1007/s41403-023-00393-z.

9. Influence of substructures on the selective laser melted Ti-6Al-4V alloy as a function of laser re-melting / J. Karimi, M.S. Xie, Z. Wang, K.G. Prashanth // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 68. – P. 1387–1394. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.06.059.

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 & Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – DOI: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.

11. Anisotropy in local microstructure – Does it affect the tensile properties of the SLM samples? / T. Maity, N. Chawake, J.T. Kim, J. Eckert, K.G. Prashanth // Manufacturing Letters. – 2018. – Vol. 15. – P. 33–37. – DOI: 10.1016/j.mfglet.2018.02.012.

12. Comparison study on microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloys fabricated by powder-based selective-laser-melting and sintering methods / Q. Yan, B. Chen, N. Kang, X. Lin, S. Lv, K. Kondoh, S. Li, J.S. Li // Materials Characterization. – 2020. – Vol. 164. – P. 110358. – DOI: 10.1016/j.matchar.2020.110358.

13. Karimi J. Microstructural homogenisation of selective laser melted Ti6Al4V and CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Doctoral Thesis. – Tallinn University of Technology, Estonia, 2022.

14. Mercelis P., Kruth J.P. Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting // Rapid Prototyping Journal. – 2006. – Vol. 12. – P. 254–265. – DOI: 10.1108/13552540610707013.

15. Remelt processing and microstructure of selective laser melted Ti25Ta / E.G. Brodie, A.E. Medvedev, J.E. Frith, M.S. Dargusch, H.L. Fraser, A. Molotnikov // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 820. – P. 153082. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.153082.

16. A study of the microstructures and mechanical properties of Ti6Al4V fabricated by SLM under vacuum / B. Zhou, J. Zhou, H. Li, F. Lin // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 724. – P. 1–10. – DOI: 10.1016/j.msea.2018.03.021.

17. Formation and control of martensite in Ti-6Al-4V alloy produced by selective laser melting / J. Yang, H. Yu, J. Yin, M. Gao, Z. Wang, X. Zeng // Materials & Design. – 2016. – Vol. 108. – P. 308–318. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.06.117.

18. Compression deformation behavior of Ti-6Al-4V alloy with cellular structures fabricated by electron beam melting / X.Y. Cheng, S.J. Li, L.E. Murr, Z.B. Zhang, Y.L. Hao, R. Yang, F. Medina, R.B. Wicker // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2012. – Vol. 16. – P. 153–162. – DOI: 10.1016/j.jmbbm.2012.10.005.

19. Automated determination of grain features for wire arc additive manufacturing / J. Karimi, A. Bohlen, N. Kamboj, T. Seefeld // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2023. – Vol. 32. – P. 10402–10411. – DOI: 10.1007/s11665-023-08266-w.

20. Ahmed T., Rack H.J. Phase transformations during cooling in α+β titanium alloys // Materials Science and Engineering: A. – 1998. – Vol. 243. – P. 206–211. – DOI: 10.1016/S0921-5093(97)00802-2.