Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет46267810.17212/1994-6309-2026-28.3-315-330LBONVXMATERIAL SCIENCEМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕResearch ArticleEffect of direct laser deposition process parameters on the microstructure and mechanical properties of new nickel-base superalloys based on ZhS6KВлияние параметров процесса прямого лазерного выращивания на структуру и механические свойства новых жаропрочных никелевых сплавов на основе ЖС6Кhttps://orcid.org/0009-0008-5409-999758220945500IQT-8110-20235585-5652АстаховИлья ИвановичAstakhovIlya
Russian Federation

инженер

Engineer

Astakhov@smtu.ruhttps://orcid.org/0009-0003-7716-146XКорчмарчикСофия ОлеговнаKorchmarchikSofia
Russian Federation

лаборант

Laboratory assistant

happy23sofia@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2188-0209555161312006307-1340КлимоваМаргарита ВикторовнаKlimovaMargarita
Russian Federation

канд. техн. наук, с.н.с.

Ph.D. (Engineering), senior researcher

M.V.klimova@ilwt.smtu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7942-279957205028276ABI-1326-20205240-2062ЗадыкянГригорий ГригоровичZadykyanGrigoriy
Russian Federation

ведущий инженер

principal engineer

gzadykyan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1591-194257194631736K-9366-20156726-2629KorsmikRudolfКорсмикРудольф Сергеевич
Russian Federation

канд. техн. наук, доцент

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Rudak27@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2476-395336989814400P-7089-20194498-2305СтепановНикита ДмитриевичStepanovNikita
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), head of department

канд. техн. наук, начальник отдела;

stepanov@corp.smtu.ruИнститут лазерных и сварочных технологий, Санкт-Петербургский государственный морской технический университетInstitute of Laser and Welding Technologies, Saint Petersburg State Marine Technical Universityruen283ТОМ 28, №3 (2026)VOL 28, NO3 (2026)31533015072026Copyright ©; 2026, Astakhov I.I., Korchmarchik S.O., Klimova M.V., Zadykyan G.G., Korsmik R.S., Stepanov N.D.Copyright ©; 2026, Астахов И.И., Корчмарчик С.О., Климова М.В., Задыкян Г.Г., Корсмик Р.С., Степанов Н.Д.2026Astakhov I.I., Korchmarchik S.O., Klimova M.V., Zadykyan G.G., Korsmik R.S., Stepanov N.D.Астахов И.И., Корчмарчик С.О., Климова М.В., Задыкян Г.Г., Корсмик Р.С., Степанов Н.Д.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/462678

Introduction. Nickel-base superalloys are indispensable materials for hot-section components of gas turbine engines (GTE); however, traditional manufacturing of geometrically complex parts is highly time- and resource-consuming. The adoption of additive manufacturing (AM), in particular direct laser deposition (DLD), enables high-precision fabrication of free-form components. Nevertheless, most nickel-base superalloys with a high volume fraction of the γ′ phase (Ni3Al) are prone to cracking. A promising approach is the development of new alloy compositions specially adapted for AM. The purpose of this study is to investigate Investigation of the influence of DLD parameters on cracking behavior, microstructure, and mechanical properties of the previously designed Ni68 and Ni75 alloys based on the ZhS6K superalloy. Materials and methods. Thin-walled specimens were produced by DLD with varying laser power, scanning speed, laser spot diameter, and deposition strategy. Cracking susceptibility was evaluated by the specific crack length. Porosity, microstructure, and phase composition were analyzed by optical and scanning electron microscopy. Mechanical properties were assessed by microhardness measurements. Results and discussion. A non-linear dependence of the specific crack length on laser power was revealed, with a maximum at 700 W for small spot diameters. The bidirectional deposition strategy was shown to reduce cracking compared with the unidirectional strategy. For the Ni75 alloy, optimum parameters (power 300 W, speed 3 mm/s, spot diameter 1.0–1.5 mm) under the bidirectional strategy were identified, yielding defect-free specimens with a porosity below 0.2%. It was established that the lower carbon content in Ni75 suppresses carbide precipitation, thus reducing the cracking probability. Increasing the laser power from 300 to 1500 W only weakly affects the transverse grain size, but induces a transition from a near-equiaxed morphology to a columnar one with a pronounced <100> texture; the volume fraction of the strengthening γ′ phase remains constant at ~60% for Ni68 and ~41% for Ni75. Microhardness exhibits a weak dependence on the deposition parameters: 390–410 HV for Ni75 and 430–450 HV for Ni68, indicating the predominant contribution of the γ′ phase characteristics. The obtained results demonstrate the applicability of the developed alloys for the additive manufacturing of thin-walled high-temperature components.

Введение. Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) являются незаменимыми материалами для горячих узлов газотурбинных двигателей (ГТД), однако традиционные методы производства деталей со сложной геометрией отличаются высокой длительностью и ресурсозатратностью. Применение аддитивных технологий (АТ), в частности прямого лазерного выращивания (ПЛВ), открывает возможность высокоточного изготовления изделий произвольной формы. Однако большинство ЖНС с высокой объемной долей γ′-фазы (Ni3Al) склонны к образованию трещин. Перспективным направлением является разработка новых сплавов, специально адаптированных для АТ. Цель работы. Исследование влияния параметров ПЛВ на растрескивание, микроструктуру и механические свойства разработанных ранее на основе ЖС6К сплавов Ni68 и Ni75. Методы исследования. Тонкостенные образцы были получены методом ПЛВ, варьируя мощность, скорость сканирования, диаметр лазерного пятна и стратегию выращивания. Склонность к растрескиванию оценивалась по удельной длине трещин. Пористость, микроструктура и фазовый состав были проанализированы с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства были оценены по измерениям микротвердости. Результаты и обсуждение. Выявлена нелинейная зависимость удельной длины трещин от мощности лазера с максимумом при 700 Вт для малых диаметров пятна. Показано, что реверсивная стратегия выращивания снижает трещинообразование по сравнению с однонаправленной. Для сплава Ni75 определены оптимальные режимы (мощность 300 Вт, скорость 3 мм/с, диаметр пятна 1,0…1,5 мм) при реверсивной стратегии, позволяющие получать бездефектные образцы с пористостью менее 0,2 %. Установлено, что более низкое содержание углерода в сплаве Ni75 препятствует выделению карбидов, уменьшая вероятность образования трещин. Увеличение мощности лазера от 300 до 1500 Вт слабо изменяет поперечный размер зерен, но вызывает переход от околоравноосной морфологии к столбчатой с выраженной текстурой <100>; объемная доля упрочняющей γ′-фазы остается постоянной и составляет ~60 % для Ni68 и ~41 % для Ni75. Микротвердость слабо зависит от параметров выращивания: 390…410 HV для Ni75 и 430…450 HV для Ni68, что указывает на определяющий вклад характеристик γ′-фазы. Полученные результаты демонстрируют применимость разработанных сплавов для аддитивного производства тонкостенных деталей высокотемпературного назначения.

Жаропрочные никелевые сплавыАддитивные технологииТехнологические параметрыМикроструктураМеханические свойстваNi-based superalloysadditive manufacturingtechnological parametersmicrostructuremechanical propertiesИсследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-19-00622-П.This research was funded by the Russian Science Foundation, grant no. 23-19-00622-P.Российский научный фондRussian Science Foundation23-19-00622-П

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-19-00622-П.

Funding

This research was funded by the Russian Science Foundation, grant no. 23-19-00622-P.

Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. Cambridge, Cambridge University Press, 2008. 388 p. ISBN 978-1-139-45863-4.Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. – Cambridge: Cambridge University Press, 2008. – 388 p. – ISBN 978-1-139-45863-4.Kablov E.N., ed. Litye lopatki gazoturbinnykh dvigatelei: splavy, tekhnologii, pokrytiya [Cast blades of gas turbine engines: alloys, technologies, coatings]. 2nd ed. Moscow, Nauka Publ., 2006. 632 p. ISBN 5-02-034270-X.Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия / под ред. Е.Н. Каблова. – 2-е изд. – М.: Наука, 2006. – 632 с. – ISBN 5-02-034270-X.Tukov S., Korsmik R., Zadykyan G., Mukin D., Mendagaliev R., Roschin N. Development of a laser cladding technology for repairing first-stage high-pressure turbine blades in gas turbine engines. Metals, 2025, vol. 15 (9), p. 957. DOI: 10.3390/met15090957.Development of a laser cladding technology for repairing first-stage high-pressure turbine blades in gas turbine engines / S. Tukov, R. Korsmik, G. Zadykyan, D. Mukin, R. Mendagaliev, N. Roschin // Metals. – 2025. – Vol. 15 (9). – P. 957. – DOI: 10.3390/met15090957.Zadykyan G.G., Korsmik R.S., Gushchina M.O., Zhukov A.S., Promakhov V.V. Research and development of technology for obtaining small-scale GTE parts from ceramic composite materials by 3D printing. Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1109 (1), p. 012057. DOI: 10.1088/1742-6596/1109/1/012057.Research and development of technology for obtaining small-scale GTE parts from ceramic composite materials by 3D printing / G.G. Zadykyan, R.S. Korsmik, M.O. Gushchina, A.S. Zhukov, V.V. Promakhov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1109 (1). – P. 012057. – DOI: 10.1088/1742-6596/1109/1/012057.Zemlyakov E., Babkin K., Korsmik R., Sklyar M., Kuznetsov M. Perspektivy ispol'zovaniya tekhnologii lazernoi naplavki dlya vosstanovleniya lopatok kompressorov gazoturbinnykh dvigatelei [Prospects for the use of laser cladding technology for the repair of compressor blades of gas turbine engines]. Fotonika = Photonics Russia, 2016, no. 4, pp. 10–25. DOI: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22.Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей / Е. Земляков, К. Бабкин, Р. Корсмик, М. Скляр, М. Кузнецов // Фотоника. – 2016. – № 4. – С. 10–25. – DOI: 10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22.Raevskikh A.N., Chabina E.B., Filonova E.V. Effect of initial powder characteristics on microrelief features in the ZhS6K grade alloy after selective laser fusion. Inorganic Materials: Applied Research, 2022, vol. 13 (6), pp. 1592–1604. DOI: 10.1134/S207511332206020X.Raevskikh A.N., Chabina E.B., Filonova E.V. Effect of initial powder characteristics on microrelief features in the ZhS6K grade alloy after selective laser fusion // Inorganic Materials: Applied Research. – 2022. – Vol. 13 (6). – P. 1592–1604. – DOI: 10.1134/S207511332206020X.Dmitrieva A., Semenyuk A., Klimova M., Udin I., Mukin D., Vildanov A., Zherebtsov S., Klimova-Korsmik O., Stepanov N. Cracking behavior of the ZhS6K superalloy during direct laser deposition with induction heating. Metals, 2024, vol. 14 (6), p. 610. DOI: 10.3390/met14060610.Cracking behavior of the ZhS6K superalloy during direct laser deposition with induction heating / A. Dmitrieva, A. Semenyuk, M. Klimova, I. Udin, D. Mukin, A. Vildanov, S. Zherebtsov, O. Klimova-Korsmik, N. Stepanov // Metals. – 2024. – Vol. 14 (6). – P. 610. – DOI: 10.3390/met14060610.Zhu L., Wei B., Wang K., Zhou C., Ji H. Optimizing selective laser melting of a high-alloyed Ni-based superalloy: achieving crack-free fabrication with enhanced microstructure and mechanical properties. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2025, vol. 38 (10), pp. 1719–1734. DOI: 10.1007/s40195-025-01900-7.Optimizing selective laser melting of a high-alloyed Ni-based superalloy: achieving crack-free fabrication with enhanced microstructure and mechanical properties / L. Zhu, B. Wei, K. Wang, C. Zhou, H. Ji // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2025. – Vol. 38 (10). – P. 1719–1734. – DOI: 10.1007/s40195-025-01900-7.Markanday J.F.S. Applications of alloy design to cracking resistance of additively manufactured Ni-based alloys. Materials Science and Technology, 2022, vol. 38 (16), pp. 1300–1314. DOI: 10.1080/02670836.2022.2068759.Markanday J.F.S. Applications of alloy design to cracking resistance of additively manufactured Ni-based alloys // Materials Science and Technology. – 2022. – Vol. 38 (16). – P. 1300–1314. – DOI: 10.1080/02670836.2022.2068759.Klimova M., Astakhov I., Klimenko D., Zadykyan G., Klimova-Korsmik O., Korsmik R., Stepanov N. Tailoring ZhS6K-based Ni superalloys for laser-based directed energy deposition. Journal of Alloys and Compounds, 2026, vol. 1058, p. 186956. DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.186956.Tailoring ZhS6K-based Ni superalloys for laser-based directed energy deposition / M. Klimova, I. Astakhov, D. Klimenko, G. Zadykyan, O. Klimova-Korsmik, R. Korsmik, N. Stepanov // Journal of Alloys and Compounds. – 2026. – Vol. 1058. – P. 186956. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.186956.Momeni S., Gargarella P., Rodrigues A.R., Jasinevicius R.G. Fabrication of thin-walled Inconel 718 microchannels by LP-DED: influence of deposition strategy on geometric fidelity, surface texture, and post-processing feasibility via hybrid manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2026, vol. 144 (9–10), pp. 7009–7032. DOI: 10.1007/s00170-026-18255-7.Fabrication of thin-walled Inconel 718 microchannels by LP-DED: influence of deposition strategy on geometric fidelity, surface texture, and post-processing feasibility via hybrid manufacturing / S. Momeni, P. Gargarella, A.R. Rodrigues, R.G. Jasinevicius // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2026. – Vol. 144 (9–10). – P. 7009–7032. – DOI: 10.1007/s00170-026-18255-7.Zhang X., Wang S., Liang Y., Guo Y., Guo Z., Yi F., Lin J. Laser directed energy deposition of thin-walled GH4099 superalloy with gradient microstructure and mechanical properties. Materials Science and Engineering: A, 2025, vol. 933, p. 148283. DOI: 10.1016/j.msea.2025.148283.Laser directed energy deposition of thin-walled GH4099 superalloy with gradient microstructure and mechanical properties / X. Zhang, S. Wang, Y. Liang, Y. Guo, Z. Guo, F. Yi, J. Lin // Materials Science and Engineering: A. – 2025. – Vol. 933. – P. 148283. – DOI: 10.1016/j.msea.2025.148283.Zhang X., Chen H., Xu L., Xu J., Ren X., Chen X. Cracking mechanism and susceptibility of laser melting deposited Inconel 738 superalloy. Materials & Design, 2019, vol. 183, p. 108105. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108105.Cracking mechanism and susceptibility of laser melting deposited Inconel 738 superalloy / X. Zhang, H. Chen, L. Xu, J. Xu, X. Ren, X. Chen // Materials & Design. – 2019. – Vol. 183. – P. 108105. – DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108105.Barjesteh M.M., Abbasi S.M., Madar K.Z., Shirvani K. The effect of heat treatment on characteristics of the gamma prime phase and hardness of the nickel-based superalloy Rene® 80. Materials Chemistry and Physics, 2019, vol. 227, pp. 46–55. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.01.038.The effect of heat treatment on characteristics of the gamma prime phase and hardness of the nickel-based superalloy Rene® 80 / M.M. Barjesteh, S.M. Abbasi, K. Zangeneh Madar, K. Shirvani // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 227. – P. 46–55. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.01.038.Klimova M., Astakhov I., Yurchenko N., Zadyukyan G., Klimenko D., Klimova-Korsmik O., Korsmik R., Turichin G., Zherebtsov S., Stepanov N. Microstructure and mechanical properties of gradient Rene 41/Rene 80 superalloy, fabricated by laser-based directed energy deposition. Journal of Alloys and Compounds, 2025, vol. 1048, p. 185270. DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.185270.Microstructure and mechanical properties of gradient Rene 41/Rene 80 superalloy, fabricated by laser-based directed energy deposition / M. Klimova, I. Astakhov, N. Yurchenko, G. Zadykyan, D. Klimenko, O. Klimova-Korsmik, R. Korsmik, G. Turichin, S. Zherebtsov, N. Stepanov // Journal of Alloys and Compounds. – 2025. – Vol. 1048. – P. 185270. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2025.185270.Guzman I., Granda E., Mendez R., Lopez G., Acevedo J., Gonzalez D. Particle size of gamma prime as a result of vacuum heat treatment of INCONEL 738 super alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, vol. 22 (4), pp. 1143–1148. DOI: 10.1007/s11665-012-0385-y.Particle size of gamma prime as a result of vacuum heat treatment of INCONEL 738 super alloy / I. Guzman, E. Granda, R. Mendez, G. Lopez, J. Acevedo, D. Gonzalez // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22 (4). – P. 1143–1148. – DOI: 10.1007/s11665-012-0385-y.Goodfellow A.J. Strengthening mechanisms in polycrystalline nickel-based superalloys. Materials Science and Technology, 2018, vol. 34 (15), pp. 1793–1808. DOI: 10.1080/02670836.2018.1461594.Goodfellow A.J. Strengthening mechanisms in polycrystalline nickel-based superalloys // Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34 (15). – P. 1793–1808. – DOI: 10.1080/02670836.2018.1461594.Kuznetsov V.P., Lesnikov V.P., Popov N.A. Struktura i svoistva monokristallicheskikh zharoprochnykh nikelevykh splavov [Structure and properties of single-crystal heat-resistant nickel alloys]. Ekaterinburg, Ural University Press, 2016. 160 p. ISBN 978-5-7996-1829-2.Кузнецов В.П., Лесников В.П., Попов Н.А. Структура и свойства монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов: учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. – 160 с. – ISBN 978-5-7996-1829-2.Khimushin F.F. Zharoprochnye stali i splavy [Heat-resistant steels and alloys]. 2nd ed., rev. Moscow, Metallurgiya Publ., 1969. 752 p.Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1969. – 752 с.Jin Z., Kong X., Ma L. Investigating the impact of substrate preheating on the thermal flow and microstructure of laser cladding of nickel-based superalloy. Materials, 2024, vol. 17 (2), p. 399. DOI: 10.3390/ma17020399.Jin Z., Kong X., Ma L. Investigating the impact of substrate preheating on the thermal flow and microstructure of laser cladding of nickel-based superalloy // Materials. – 2024. – Vol. 17 (2). – P. 399. – DOI: 10.3390/ma17020399.Gulov M.A., Gertsel I.S., Malikov A.G. Additional substrate heating in direct laser deposition of Inconel 738. Physical Mesomechanics, 2026, vol. 29 (1), pp. 115–126. DOI: 10.1134/S1029959925600910.Gulov M.A., Gertsel I.S., Malikov A.G. Additional substrate heating in direct laser deposition of Inconel 738 // Physical Mesomechanics. – 2026. – Vol. 29 (1). – P. 115–126. – DOI: 10.1134/S1029959925600910.Huang M., Zhou Z., Cui C., Zhang R., Shi Z., Wang X., Zhou Y., Sun X. Formation and evolution behavior of M6C carbide in a Ni-W-Cr superalloy. Materials Characterization, 2023, vol. 204, p. 113211. DOI: 10.1016/j.matchar.2023.113211.Formation and evolution behavior of M6C carbide in a Ni-W-Cr superalloy / M. Huang, Z. Zhou, C. Cui, R. Zhang, Z. Shi, X. Wang, Y. Zhou, X. Sun // Materials Characterization. – 2023. – Vol. 204. – P. 113211. – DOI: 10.1016/j.matchar.2023.113211.