Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет42441410.17212/1994-6309-2026-28.2-32-48TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleDetermination of temperature conditions of wave deformation hardening for materials synthesized by the WAAM methodОпределение температурных режимов волнового деформационного упрочнения для материалов, синтезированных WAAM-методомhttps://orcid.org/0000-0002-3823-05016506677389D-3733-2013КиричекАндрей ВикторовичKirichekAndrey V.
Russian Federation

доктор техн. наук, профессор

D.Sc. (Engineering), Professor

avkbgtu@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4475-319X6603827038O-8393-2015SolovyevDmitry L.СоловьевДмитрий Львович
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Professor;

доктор техн. наук, профессор;

murstin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3186-130036816597400F-8330-20173473-4047ЯшинАлександр ВасильевичYashinAlexander V.
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

yashin2102@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3524-385X597474874002686-4678SilantyevSergey A.СилантьевСергей Александрович
Russian Federation

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

ppdsio@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0000-7552-312XP-6142-20171355-7688НовиковМаксим АлександровичNovikovMaxim A.
Russian Federation

Научный сотрудник

Research Associate

NovikovMax14@yandex.ruБрянский государственный технический университетBryansk State Technical UniversityВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича СтолетовыхVladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovsruen282ТОМ 28, №2 (2026)VOL 28, NO2 (2026)324802062026Copyright ©; 2026, Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Яшин А.В., Силантьев С.А., Новиков М.А.Copyright ©; 2026, Kirichek A.V., Solovyev D.L., Yashin A.V., Silantyev S.A., Novikov M.A.2026Киричек А.В., Соловьев Д.Л., Яшин А.В., Силантьев С.А., Новиков М.А.Kirichek A.V., Solovyev D.L., Yashin A.V., Silantyev S.A., Novikov M.A.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/424414

Introduction. To reduce the number of defects and improve the mechanical properties of components fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM), the application of deformation hardening operations during the synthesis process is promising. Wave deformation hardening enables the formation of a deep hardened layer, which is particularly important for hybrid WAAM processes where subsequent heating of the upper layers can lead to softening of previously deposited layers. A key parameter determining the effectiveness of wave deformation hardening is the temperature at which the synthesized material is subjected to the deformation hardening. The purpose of this study is to analyze the influence of the product temperature on the efficiency of wave deformation hardening for several advanced structural materials produced by the WAAM method. Methodology. The experiment involved the synthesis of samples, followed by furnace heating to a predetermined temperature (0.04C–19Cr–9Ni, 0.3C–1Cr–1Mn–1Si, 0.18C–1Cr–1Mn–1Si, and 0.09C–1.7Cr–1Mn–0.6Mo–1Ni–0.8Ti–0.015N: 300–900 °C; for the 97Al–3Mg alloy: 100–500°C), after which they were subjected to hardening. To evaluate the effectiveness of the method, microhardness (Vickers) profiles were measured as a function of depth through the hardened layer. Results and discussion. The study revealed a characteristic optimal temperature range for each material within which wave deformation hardening provides the maximum strengthening effect. For austenitic steel 0.04C–19Cr–9Ni, the greatest increase in hardness (up to 52%) was achieved when treated at 700 °C, attributed to the increased ductility of austenite and possible deformation-induced martensitic transformation; above 800 °C, recrystallization begins, reducing the effect. For medium-alloyed steels 0.3C–1Cr–1Mn–1Si, 0.18C–1Cr–1Mn–1Si, and 0.09C–1.7Cr–1Mn–0.6Mo–1Ni–0.8Ti–0.015N, the optimal range was 400–600 °C, with a maximum hardness increase of 34–50%; in this region, dynamic polygonization and carbide dispersion hardening actively occur, while recrystallization dominates at higher temperatures. For aluminum alloy 97Al–3Mg, the effective range was 100–300 °C, with an increase in hardness of up to 24%, corresponding to the recovery condition; at 400–500 °C, the hardness drops below the initial value due to complete recrystallization. The depth of the hardened layer exceeded 3 mm for steels and reached 8 mm for the aluminum alloy, significantly greater than achieved by conventional surface plastic deformation methods. An anomalous behavior was identified for steel 0.09C–1.7Cr–1Mn–0.6Mo–1Ni–0.8Ti–0.015N: after a decrease in hardness at 700–800 °C, an increase in hardness was observed at 900 °C, explained by secondary hardening due to the dissolution of coarse carbides and the precipitation of fine particles during cooling. The obtained data are in good agreement with known tempering and recrystallization temperatures for the materials studied. The results enabled the formulation of practical recommendations for selecting wave deformation hardening temperature conditions for integration into hybrid WAAM processes, depending on the material class, ensuring maximum improvement in both hardness and hardened layer depth for additively manufactured components.

Введение. В целях снижения количества дефектов и повышения механических свойств изделий, получаемых проволочной дуговой аддитивной технологией (WAAM), перспективно применение в процессе синтеза операций деформационного упрочнения. Волновое деформационное упрочнение позволяет формировать глубокий упрочненный слой, что особенно важно для гибридных WAAM-процессов, где последующий нагрев верхних слоев может сопровождаться разупрочнением предыдущих. Важным параметром, определяющим эффективность волнового деформационного упрочнения, является температура, при которой выполняется деформационное воздействие на синтезированный материал. Цель работы: анализ влияния температуры изделия на эффективность волнового деформационного упрочнения для ряда перспективных конструкционных материалов, получаемых WAAM-методом. Методика исследования. Эксперимент включал в себя синтез образцов с последующим нагревом в печи до заданной температуры (для сталей 04Х19Н9, 30ХГСА, 18ХГС и 09ХГМНТАА – 300…900 °C, для сплава АМг3 – 100…500 °C), после чего они подвергались упрочнению. Для оценки эффективности метода строились эпюры микротвердости (по Виккерсу) по глубине упрочненного слоя. Результаты и обсуждение. Исследование выявило для каждого материала характерный оптимальный температурный интервал, в котором применение волнового деформационного упрочнения (ВДУ) обеспечивает максимальный упрочняющий эффект. Для аустенитной стали 04Х19Н9 наибольший прирост твердости (до 52 %) достигнут при обработке при 700 °C, для среднелегированных сталей 30ХГСА, 18ХГС и 09ХГМНТАА – при 400…600 °C с максимальным увеличением твердости на 34…50 %, для алюминиевого сплава АМг3 эффективный интервал составил 100…300 °C с приростом до 24 %. Полученные данные позволили сформулировать практические рекомендации по выбору температурных режимов ВДУ для интеграции в гибридный WAAM-процесс в зависимости от класса материала, что обеспечит максимальное повышение твердости и глубины упрочненного слоя синтезированных деталей.

Additive technologiesWAAMDeformation hardeningDeformation waveHigh temperatureHardnessАддитивные технологииWAAMДеформационное упрочнениеВолна деформацииВысокая температураТвердостьFunding The research was carried out with the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of basic research component of the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation under project No. FZWR-2024-0003 (No. 075-00150-24-03) “Development of a technological strategy and theoretical and experimental study of the key elements of the technology of additive synthesis of metal wire parts using the 3DMP method and wave thermo-deformation strengthening of synthesized machine parts.”Финансирование Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, работа «Проведение фундаментальных научных исследований» в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ по проекту №FZWR-2024-0003 (№ 075-00150-24-03) «Разработка технологической стратегии и теоретико-экспериментальное исследование ключевых элементов технологии аддитивного синтеза из металлической проволоки деталей 3DMP-методом и волнового термодеформационного упрочнения синтезируемых деталей машин».

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, работа «Проведение фундаментальных научных исследований» в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки РФ по проекту №FZWR-2024-0003 (№ 075-00150-24-03) «Разработка технологической стратегии и теоретико-экспериментальное исследование ключевых элементов технологии аддитивного синтеза из металлической проволоки деталей 3DMP-методом и волнового термодеформационного упрочнения синтезируемых деталей машин».

Funding

The research was carried out with the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of basic research component of the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation under project No. FZWR-2024-0003 (No. 075-00150-24-03) “Development of a technological strategy and theoretical and experimental study of the key elements of the technology of additive synthesis of metal wire parts using the 3DMP method and wave thermo-deformation strengthening of synthesized machine parts.”

Advances in metal additive manufacturing: A review of common processes, industrial applications, and current challenges / A. Vafadar, F. Guzzomi, A. Rassau, K. Hayward // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11 (3). – P. 1213. – DOI: 10.3390/app11031213.The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing / W.J. Sames, F.A. List, S. Pannala, R.R. Dehoff, S.S. Babu // International Materials Reviews. – 2016. – Vol. 61 (5). – P. 315–360. – DOI: 10.1080/09506608.2015.1116649.Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests / D. Ding, Z. Pan, D. Cuiuri, H. Li // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2015. – Vol. 81 (1–4). – P. 465–481. – DOI: 10.1007/s00170-015-7077-3.Das S., Bourell D.L., Babu S.S. Metallic materials for 3D printing // MRS Bulletin. – 2016. – Vol. 41 (10). – P. 729–741. – DOI: 10.1557/mrs.2016.217.Invited review article: Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturing / C.R. Cunningham, J.M. Flynn, A. Shokrani, V. Dhokia, S.T. Newman // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 22. – P. 672–686. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.06.020.Wire arc additive manufacturing of stainless steels: a review / W. Jin, C. Zhang, S. Jin, Y. Tian, D. Wellmann, W. Liu // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10 (5). – P. 1563. – DOI: 10.3390/app10051563.Li Y., Su C., Zhu J. Comprehensive review of wire arc additive manufacturing: Hardware system, physical process, monitoring, property characterization, application and future prospects // Results in Engineering. – 2022. – Vol. 13. – P. 100330. – DOI: 10.1016/j.rineng.2021.100330.8. Pattanayak S., Sahoo S.K. Gas metal arc welding based additive manufacturing – a review // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2021. – Vol. 33. – P. 398–442. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2021.04.010.Environmental and economic assessment of a steel wall fabricated by wire-based directed energy deposition / S. Kokare, J.P. Oliveira, T.G. Santos, R. Godina // Additive Manufacturing. – 2023. – Vol. 61. – P. 103316. – DOI: 10.1016/j.addma.2022.103316.10. Abdulaziz A. A brief review on the common defects in wire arc additive manufacturing // International Journal of Current Science Research and Review. – 2022. – Vol. 5 (12). – P. 4556–4576. – DOI: 10.47191/ijcsrr/V5-i12-19.Residual stress in wire and arc additively manufactured aluminum components / S. Jiamin, H. Jonas, K. Markus, D. Klaus // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 65. – P. 97–111. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.02.021.Designing a WAAM based manufacturing system for defence applications / A. Busachi, J. Erkoyuncu, P. Colegrove, F. Martina, J. Ding // Procedia CIRP. – 2015. – Vol. 37. – P. 48–53. – DOI: 10.1016/j.procir.2015.08.085.Microstructure tailoring of a wire-arc DED processed Ti6242 alloy for high damage tolerance performance / F. Zakir, A.K. Syed, X. Zhang, A.E. Davis, V.K. Sahu, A.E. Caballero, R. Biswal, P.B. Prangnell, S. Williams // Additive Manufacturing. – 2025. – Vol. 105. – P. 104785. – DOI: 10.1016/j.addma.2025.104785.A solution for estimating high-temperature strength based on additive manufacturing characteristics / X. Wang, L. Xu, L. Zhao, Y. Han // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – Vol. 245. – P. 108124. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108124.Hot forging wire and arc additive manufacturing (HF-WAAM) / V.R. Duarte, T.A. Rodrigues, N. Schell, R.M. Miranda, J.P. Oliveira, T.G. Santos // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 35. – P. 101193. – DOI: 10.1016/j.addma.2020.101193.Post-build thermomechanical processing of wire arc additively manufactured stainless steel for improved mechanical properties and reduction of crystallographic texture / J.W. Elmer, K. Fisher, G. Gibbs, J. Sengthay, D. Urabe // Additive Manufacturing. – 2022. – Vol. 50. – P. 102573. – DOI: 10.1016/j.addma.2021.102573.Interpass rolling of Ti-6Al-4V wire + arc additively manufactured features for microstructural refinement / A.R. McAndrew, M.A. Rosales, P.A. Colegrove, J.R. Hönnige, A. Ho, R. Fayolle, K. Eyitayo, I. Stan, P. Sukrongpang, A. Crochemore, Z. Pinter // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 21. – P. 340–349. – DOI: 10.1016/j.addma.2018.03.006.Hönnige J.R., Colegrove P., Williams S. Improvement of microstructure and mechanical properties in wire + arc additively manufactured Ti-6Al-4V with machine hammer peening // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 216. – P. 8–17. – DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.083.Application of bulk deformation methods for microstructural and material property improvement and residual stress and distortion control in additively manufactured components / P.A. Colegrove, J. Donoghue, F. Martina, J. Gu, P. Prangnell, J. Hönnige // Scripta Materialia. – 2017. – Vol. 135. – P. 111–118. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.10.031.The strengthening effect of inter-layer cold working and post-deposition heat treatment on the additively manufactured Al–6.3Cu alloy / J. Gu, J. Ding, S.W. Williams, H. Gu, J. Bai, Y. Zhai, P. Ma // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 651. – P. 18–26. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.10.101.Microstructure, residual stress and tensile properties control of wire-arc additive manufactured 2319 aluminum alloy with laser shock peening / R. Sun, L. Li, Y. Zhu, W. Guo, P. Peng, B. Cong, J. Sun, Z. Che, B. Li, C. Guo, L. Liu // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 747. – P. 255–265. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.02.353.Liu J., Ye C., Dong Y. Recent development of thermally assisted surface hardening techniques: A review // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100006. – DOI: 10.1016/j.aime.2020.100006.Thomas M., Jackson M. The role of temperature and alloy chemistry on subsurface deformation mechanisms during shot peening of titanium alloys // Scripta Materialia. – 2012. – Vol. 66 (12). – P. 1065–1068. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.02.049.Harada Y., Mori K. Effect of processing temperature on warm shot peening of spring steel // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 162–163. – P. 498–503. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.095.Effects of warm laser peening on thermal stability and high temperature mechanical properties of A356 alloy / H. Chen, J. Zhou, J. Sheng, X.K. Meng, S. Huang, X. Xie // Metals. – 2016. – Vol. 6 (6). – P. 126. – DOI: 10.3390/met6060126.Modified wear behavior of selective laser melted Ti6Al4V alloy by direct current assisted ultrasonic surface rolling process / Z. Wang, Z. Liu, C. Gao, K. Wong, S. Ye, Z. Xiao // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 381. – P. 125122. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125122.Amanov A., Umarov R. The effects of ultrasonic nanocrystal surface modification temperature on the mechanical properties and fretting wear resistance of Inconel 690 alloy // Applied Surface Science. – 2018. – Vol. 441. – P. 515–529. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.01.293.Исследование влияния деформационного упрочнения на механические свойства образцов из сплава АМг5, полученных способом многослойной наплавки / М.Ф. Карташев, Г.Л. Пермяков, Д.Н. Трушников, М.Р. Миндибаев // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2019. – Т. 17, № 3. – С. 38–45. – DOI: 10.18503/1995-2732-2019-17-3-38-45.Kirichek A.V., Soloviev D.L., Altuhov A.Yu. Deformation wave hardening of metallic materials // Journal of Nano and Electronic Physics. – 2014. – Vol. 6 (3). – P. 03069.Исследования комбинированного упрочнения волновым деформационным воздействием и термообработкой стали 30ХГСА / А.В. Киричек, Д.Л. Соловьев, С.А. Силантьев, А.В. Яшин, М.Е. Жидков // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2022. – Т. 18, № 11 (215). – С. 524–528. – DOI: 10.36652/1813-1336-2022-18-11-524-528.31. Kirichek A.V., Solov’;ev D.L. Creating heterogeneous surface structures by static-pulsed treatment // Russian Engineering Research. – 2008. – Vol. 28 (3). – P. 277–279. – DOI: 10.3103/S1068798X08030209.Беляев Г.С. Влияние нагрева на твердость и структуру упрочненного слоя // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1979. – № 11. – С. 64.Amininejad A., Jamaati R., Hosseinipour S.J. Influence of deformation and post-annealing treatment on the microstructure and mechanical properties of austenitic stainless steel // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2021. – Vol. 74 (7). – P. 1799–1807. – DOI: 10.1007/s12666-021-02277-8.Boroumand K., Hadi M., Vafaei R. Hot deformation behavior and constitutive modelling of a medium-carbon structural steel // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122. – P. 1611–1620. – DOI: 10.1134/S0031918X21140052.Капустова М., Титтел В. Исследование влияния температуры нагрева на механические свойства и деформируемость стали типа 18ХГ при неполной горячей деформации // Литье и металлургия. – 2006. – № 1 (37). – С. 139–142.Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей: пер. с англ. – М.: Металлургия, 1982. – 184 с.Obitov N., Ruzibaev A. Heat treatment of non-hardened aluminum alloys // AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2612. – P. 040004. – DOI: 10.1063/5.0127487.Phase transformation and annealing behavior of SUS 304 austenitic stainless steel deformed by high pressure torsion / I. Shuro, M. Umemoto, Y. Todaka, S. Yokoyama // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 654–656. – P. 334–337. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.334.