Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет39225710.17212/1994-6309-2026-28.1-253-261MATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleMicrostructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V: A comparison between selective laser melting, electron beam melting, and spark plasma sinteringМикроструктура и механические свойства Ti6Al4V – сравнение селективного лазерного плавления, электронно-лучевой плавки и искрового плазменного спеканияhttps://orcid.org/0000-0002-2733-206X57215498830AAQ-3114-2021KarimiJavadКаримиДжавад
Germany

Doctor of Philological Sciences

доктор философских наук

javadkarimimr@gmail.comhttps://www.researchgate.net/profile/Javad-Karimi-4Technische Universitat Bergakademie FreibergТехнический университет – Горная академия Фрайберга15032026281VOL 28, NO1 (2026)ТОМ 28, №1 (2026)25326107032026Copyright ©; 2026, Karimi J.Copyright ©; 2026, Карими Д.2026Karimi J.Карими Д.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/392257

Introduction. Ti-6Al-4V is one of the most commonly used α+β titanium alloys in various industries due to its excellent specific strength and corrosion resistance. Additive manufacturing (AM) processes enable the production of Ti-6Al-4V parts with complex geometries. However, defects and microstructural inhomogeneity in the fabricated parts can adversely affect their mechanical properties. Purpose of the work. The purpose of this study is to investigate the microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V parts. The defect density and inhomogeneity in the microstructure and mechanical properties of parts fabricated by selective laser melting (SLM), electron beam melting (EBM), and spark plasma sintering (SPS) were examined. The inhomogeneity in mechanical properties, specifically hardness, was quantified. Furthermore, the effects of a laser remelting strategy on microstructural homogeneity were studied. Research methods. Ti-6Al-4V parts were fabricated using additive manufacturing processes, namely SLM and EBM. Parts were also produced via the SPS method. A laser remelting strategy (scanning each layer three times) was applied during the SLM process. The effects of laser remelting on defects, microstructure, and mechanical properties were studied and compared with standard SLM (scanning each layer once), EBM, and SPS. Results and discussion. A lamellar α/α′ microstructure was observed in the SLM samples, both in the as-built and remelted conditions (denoted as SLM and SLM-RM, respectively). The hardness of the SLM sample (335 HV) was found to be higher than that of the SPS sample (305 HV). Application of the remelting strategy in SLM led to an increase in hardness and improved its homogeneity. The average size and shape irregularity of porosities in the SLM samples were analyzed; it was observed that surface porosity decreased with the implementation of the remelting strategy. Laser remelting significantly influences the performance of the SLM process. The results demonstrate that these synthesis processes yield Ti-6Al-4V alloys with distinct microstructural and mechanical properties.

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.

Titanium alloyAdditive manufacturingSelective laser meltingElectron beam meltingSpark plasma sinteringMicrostructureRemeltingТитановый сплавАддитивные технологииСелективное лазерное плавлениеЭлектронно-лучевая плавкаИскровое плазменное спеканиеМикроструктураПереплавкаПлазменное напылениеMicrostructure 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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Karimi J. Microstructural homogenisation of selective laser melted Ti6Al4V and CoCrFeMnNi high-entropy alloys: Doctoral Thesis. – Tallinn University of Technology, Estonia, 2022.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.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.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.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.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.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.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.