Создание экспериментальных образцов из титановых сплавов с использованием проволочной электронно-лучевой и электродуговой аддитивных технологий

Представлены экспериментальные образцы из титановых сплавов, полученные методами проволочной электронно-лучевой и электродуговой аддитивных технологий. Кратко описаны некоторые методы управления процессом для контроля дефектов с точки зрения факторов, влияющих на динамику ванны расплава, включая контроль термических условий процесса во время 3D-печати. В рамках исследования проведен комплексный анализ результатов получения образцов для определения наиболее оптимального метода с точки зрения бездефектности, достижения подходящей структуры и оптимальных механических свойств образцов на основе титановых сплавов. Скорость изготовления образцов ЭДАП (электродуговое аддитивное производство) и средние значения механических свойств образцов ЭДАП почти в 1,5 раза выше, чем образцов ЭЛАП (электронно-лучевое аддитивное производство), однако боковая поверхность образцов ЭЛАП имеет более плоскую поверхность. Практическая значимость заключается в определении предпочтительного способа эффективного производства и повышения конкурентоспособности изделий на основе титановых сплавов.

1. Афонин В. К., Ермаков Б. С., Лебедев Е. Л., Пряхин Е. И., Самойлов Н. С., Солнцев Ю. П., Шипша В. Г. Металлы и сплавы: справочник. – СПб.: Профессионал, 2003. – 1090 с.

2. Чечулин Б. Б. Титановые сплавы в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1977. – 248 с.

3. Никитина Е. В., Фролов В. А., Степанов В. В., Предко П. Ю. Исследование структурной и химической неоднородности при сварке различных групп металлических материалов // Сварочное производство. – 2013. – № 10. – С. 4–9.

4. Патон Б. Е. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. – М.: Машиностроение, 1974. – 767 с.

5. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Weld World. – 2018. – V. 62. – P. 267–275. DOI: 10.1007/s40194-017-0537-7

6. Review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, J. Xu et al. // J. Manuf. Process. – 2018. – V. 35. – P. 127–139. DOI: 10.1016/j.jmapro.2018.08.001

7. Gaspar B. Microstructural Characterization of Ti–6Al–4V and Its Relationship to Sample Geometry. – San Luis Obispo, CA, USA: Materials Engineering Department, Cal Poly, 2012. – 22 p.

8. Donachie M. J. Titanium: A Technical Guide. – Materials Park, OH, USA: ASM International, 2000.

9. Rafi H. K., Karthik N. V., Gong H., Starr T. L., Stucker B. E. Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4V Parts Fabrication by Selective Laser Melting and Electron Beam Melting // J. Mater. Eng. Perform. – 2013. – V. 22. – P. 3872–3883.

10. Collins, P. Brice D., Samimi P., Ghamarian I., Fraser H. Microstructural control of additively manufactured metallic materials // Annu. Rev. Mater. Res. – 2016. – V. 46. – P. 63–91.

11. Mapping the geometry of Ti–6Al–4V: From martensite decomposition to localized spheroidization during selective laser melting / P. Barriobero-Vila, K. Artzt, A. Stark, N. Schell, M. Siggel, J. Gussone et al. // Scr. Mater. – 2020. – V. 182. – P. 48–52.

12. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S. Y. Tarasov, A. V. Filippov, N. L. Savchenko, S. V. Fortuna, V. E. Rubtsov, E. A. Kolubaev et al. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2018. – V. 99. – P. 2353– 2363. DOI: 10.1007/s00170-018-2643-0

13. Wang X., Gong X., Chou K. Scanning speed effect on mechanical properties of Ti–6Al– 4V alloy processed by electron beam additive manufacturing // Procedia Manuf. – 2015. – V. 1. – P. 287–295. DOI: 10.1016/j.promfg.2015.09.026

14. Wittenburg K. Specific instrumentation and diagnostics for high-intensity hadron beams // CERN Yellow Reports. – 2009. – P. 511–568. DOI: 10.5170/CERN-2013-001.251

15. Gu D., Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: Materials, processes and mechanisms // Int. Mater. Rev. – 2012. – V. 62, Is. 3. – P. 159–207. DOI: 10.1179/1743280411Y.0000000014

16. Zadpoor A. A. Additively manufactured metallic porous biomaterials // J. Mater. Chem. B. – 2019. – V. 7. – P. 4088–4117. DOI: 10.1039/C9TB00420C

17. A design of experiment approach for development of electron beam powder bed fusion process parameters and improvement of Ti–6Al–4V as-built properties / D. Braun, Y. I. Ganor, S. Samuha, G. M. Guttmann, M. Chonin, N. Frage et al. // J. Manuf. Mater. Process. – 2022. – V. 6, N 4. – P. 90. DOI: 10.3390/jmmp6040090

18. Sames W. J., List F. A., Dehoff R. R., Zhang C., Lowe-Ma L. E. The metallurgy and processing science of metal additive manufacturing // Int. Mater. Rev. – 2016. – V. 61. – P. 315–360. DOI: 10.1080/09506608.2015.1116649

19. Materials for additive manufacturing / D. Bourell, J.P. Kruth, M. Leu, T. Nakagawa, B. Rosen, M. C. Seepersad et al. // CIRP Ann. – 2017. – V. 66. – P. 659–681. DOI: 10.1016/j.cirp.2017.05.005

20. Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties / T. Deb Roy, H. L. Wei, J. S. Zuback, T. Mukherjee, J. W. Elmer, J. O. Milewski et al. // Prog. Mater. Sci. – 2018. – V. 92. – P. 112–224. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001

21. Study on powder particle behavior in powder spreading with discrete element method and its critical implications for binder jetting additive manufacturing processes / S. Wu, Y. Yang, Y. Huang, C. Han, J. Chen, Y. Xiao et al. // Virtual Phys. Prototyp. – 2023. – V. 18, Is. 1. – P. 1–26. DOI: 10.1080/17452759.2022.2158877

22. Materials for additive manufacturing / D. Bourell, J. P. Kruth, M. Leu, G. Levy, D. Rosen, A. M. Beese et al. // CIRP Ann. – 2017. – V. 66. – P. 659–681. DOI: 10.1016/j.cirp.2017.05.009

23. Pinkerton A. J., Li L. Direct Additive Laser Manufacturing Using Gas and Water-Atomised H13 Tool Steel Powders // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2005. – V. 25. – P. 471–479.

24. Hebert R. J. Metallurgical Aspects of Powder Bed Metal Additive Manufacturing // J. Mater. Sci. – 2016. – V. 51. – P. 1165–1175.

25. Manufacturing of Ti–Al–Zr–Mo–V Alloy Components by Additive Methods / V. Semenchuk, A. Nikolaeva, et al. // Russian Physics Journal. – 2024. – N 66 (11). – P. 1180–1188.