Випуски $\rightarrow$ Том 24, випуск 1 (2023)

Адитивне виробництво стопу Ti–6Al–4V на основі подавання дроту. Частина І. Мікроструктура

М. О. Васильєв$^1$, Б. М. Мордюк$^{1,2}$, С. М. Волошко$^2$

$^1$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
 $^2$Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна

Отримано 19.08.2022; остаточна версія — 23.01.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Останніми роками адитивне виробництво (АВ) металів, також відоме як 3D-друк, виросло в значну галузь. Здатність AВ створювати деталі безпосередньо з цифрових моделей робить його чудовою альтернативою порівняно з традиційними виробничими технологіями, такими як фрезерування, зварювання, литво, прокатка, штампування, кування та токарне оброблення для швидкого виготовлення замовних деталей. В даний час розроблено ряд різних порошкових і дротяних АВ-технологій 3D-друку металів. Було відзначено низку потенційних переваг АВ, включаючи довільність проєктування, виготовлення складних деталей, зменшення відходів матеріалу та ваги деталей, мінімізацію використання матеріалів, а також економію часу та грошей для виробничого циклу. Завдяки доцільності економічного виробництва великомасштабних металевих компонентів з відносно високою швидкістю осадження, низькою вартістю обладнання, високою ефективністю матеріалів і скороченим часом виконання в порівнянні з порошковим АВ дротяне АВ приваблює значну увагу в промисловості та наукових колах через його здатність виробляти великі компоненти середньої геометричної складності. Під час процесу AВ дріт подається з контрольованою швидкістю у ванну розтопу, утворену електричною дугою, лазером або електронним променем як джерелом тепла. В останні кілька десятиліть фундаментальні дослідження та розробки спрямовані на 3D-друк на основі дроту деталей, виготовлених зі стопу Ti–6Al–4V, який широко досліджувався та використовувався в різних галузях, таких як аерокосмічна, автомобільна, енергетична, морська промисловості та на додаток до протезування й ортопедичних імплантатів. Численні дослідження впливу параметрів 3D-друку останніх років показали істотну різницю в механізмі та кінетиці формування мікроструктури у зразках стопу Ti–6Al–4V порівняно з традиційними технологіями. Було добре досліджено, що механічні властивості такого стопу залежать від макро- та мікроструктури твердіння, яка контролюється тепловими умовами під час 3D-друку. У даному огляді проаналізовано основні мікроструктурні характеристики, що визначають механічні властивості двофазного стопу Ti–6Al–4V, для зразків, одержаних методом 3D-друку з подачею дроту з використанням різних джерел його топлення, а саме, електричної дуги, лазера й електронного променя. По-перше, оглянуто зв’язки між параметрами процесу, одержаними мікроструктурами, особливо морфологією, розміром і кількісним співвідношенням α- і β-зерен у зразках стопу Ti–6Al–4V після друку. Одначе металеві вироби, виготовлені за допомогою переважної більшості процесів АВ, потребують подальшого оброблення шляхом термічного оброблення та/або гарячого ізостатичного пресування, які також обговорюються в цьому огляді.

Ключові слова: адитивне виробництво, 3D-друк, стоп Ti–6Al–4V, мікроструктура, електрична дуга, лазер, електронний промінь, кристалізація, термооброблення, механічні властивості, промисловість.

Citation: M. O. Vasylyev, B. M. Mordyuk, and S. M. Voloshko, Wire-Feeding Based Additive Manufacturing of the Ti–6Al–4V Alloy. Part I. Microstructure, Progress in Physics of Metals, 24, No. 1: 5–37 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005

Цитована література   
  1. B. Berman, Business Horizons, 55: 155 (2012); https://doi.org/10.1016/j.bushor.2011.11.003
  2. D.L. Rakov and R.Y. Sukhorukov, J. Mach. Manuf. Reliab., 50: 616 (2021); https://doi.org/10.3103/S1052618821070116
  3. T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T.Q. Nguyen, and D. Hui, Composites Part B: Eng., 143: 172 (2018); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012
  4. C.W. Hull, Method and Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography, Patent US4575330A, Publ. Mar 11, 1986.
  5. J.W. Stansbury, and M.J. Idacavage, Dent. Mater., 32: 54 (2016); https://doi.org/10.1016/j.dental.2015.09.018
  6. P. Wu, J. Wang, and X. Wang, Automation in Construction, 68: 21 (2016); https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.04.005
  7. O. Ivanova, C. Williams, and T. Campbell, Rapid. Prototyp. J., 19: 353 (2013); https://doi.org/10.1108/RPJ-12-2011-0127
  8. M. Vaezi, H. Seitz, and S. Yang, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 67: 1721 (2013); https://doi.org/10.1007/s00170-012-4605-2
  9. B. Bhushan, and M. Caspers, Microsyst. Technol., 23: 1117 (2017); https://doi.org/10.1007/s00542-017-3342-8
  10. H.D. Nguyen, A. Pramanik, A.K. Basak, Y. Dong, C. Prakash, S. Debnath, S. Shankar, I.S. Jawahir, S. Dixit, D. Buddhi, J. Mater. Res. Technol., 18: 4641 (2022); https://doi.org/10.1016/10.1016/j.jmrt.2022.04.055
  11. Y.W.D. Tay, B. Panda, S.C. Paul, N.A. Noor Mohamed, M.J. Tan, and K.F. Leong, Virtual Phys. Prototyping, 12: 261 (2017); https://doi.org/10.1080/17452759.2017.1326724
  12. L. Mashigo, H. Möller, and C. Gassmann, J. Southern African Inst. Mining and Metallurgy, 121: 325 (2021); https://doi.org/10.17159/24119717/1498/2021
  13. S.W. Williams, F. Martina, A.C. Addison, J. Ding, G. Pardal, and P. Colegrove, Mater. Sci. Technol., 32: 641 (2016); https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000073
  14. D. Ding, Z. Pan, D. Cuiuri, and H. Li, Robotics and Computer Integrated Manuf., 34: 8 (2015); https://doi.org/10.1016/j.rcim.2015.01.003
  15. Z.D. Lin, K.J. Song, and X.H. Yu, J. Manuf. Proc., 70: 24 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.08.018
  16. J.L. Gu, J. Ding, S. W. Williams, H.M. Gu, J. Bai, Y.C. Zhai, and P.H. Ma, Mater. Sci. Eng. A, 651: 18 (2016); https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.10.101
  17. P.F. Jiang, X.R. Li, X.M. Zong, X.B. Wang, Z.K. Chen, H.X.Yang, C.Z. Liu, N.K. Gao, and Z.H. Zhang, J. Alloys Compounds, 920: 166056 (2022), https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166056
  18. L.E. Murr, S.M. Gaytan, A. Ceylan, E. Martinez, J.L. Martinez, D.H. Hernandez, B.I. Machado, D.A. Ramirez, F. Medina, S. Collins, and R.B. Wicker, Acta Mater., 58: 1887 (2010); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.11.032
  19. S.W. Williams, F. Martina, A.C. Addison, J. Ding, G. Pardal, and P. Colegrove, Mater. Sci. Technol., 32: 641 (2016); https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000073
  20. D.H. Ding, Z.X. Pan, D. Cuiuri, and H.J. Li, J. Adv. Manuf. Technol., 81: 465 (2015); https://doi. org/10.1007/s00170-015-7077-3
  21. S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, and S.G. Psakhie, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 99: 2353 (2018); https://doi.org/10.1007/s00170-018-2643-0
  22. C.R. Cunningham, J.M. Flynn, A. Shokrani, V. Dhokia, and S.T. Newman, Additive Manuf., 22: 672 (2018); https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.020
  23. D.H. Ding, Z.X. Pan, D. Cuiuri, and H.J. Li, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 81: 465 (2015); https://doi.org/10.1007/s00170-015-7077-3
  24. F. Wang, S. Williams, P. Colegrove, and A.A. Antonysamy, Metall. Mater. Trans. A, 44: 968 (2013); https://doi.org/10.1007/s11661-012-1444-6
  25. F. Martina, J. Mehnen, S.W. Williams, P. Colegrove, and F. Wang, J. Mater. Process. Technol., 212: 137 (2012); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.02.002
  26. B. Baufeld, O. van der Biest, and R. Gault, Int. J. Mat. Res., 100: 11 (2009); https://doi.org/10.3139/146.110217
  27. B. Baufeld, O. van der Biest, R. Gault, and K. Ridgway, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 26: 012001 (2011); http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/26/1/012001
  28. J. Zhang, X.Y. Wang, S. Paddea, and X. Zhang, Mater. Des., 90: 551 (2016); http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes
  29. F. Wang, S. Williams, P. Colegrove, and A.A. Antonysamy, Metall Mater. Trans. A, 44: 968 (2013); https://doi.org/10.1007/s11661-012-1444-6
  30. Q. Wu, J.P. Lu, C.M. Liu, H.G. Fan, X.Z. Shi, J. Fu, and S. Ma, Materials, 10: 749 (2017); https://doi.org/10.3390/ma10070749
  31. J. Wang, X. Lin, M. Wang, J.Q. Li, C. Wang, and W.D. Huang, Mater. Sci. Eng. A, 776: 139020 (2020); https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139020
  32. Z.D. Lin, K.J. Song, and X.H. Yu, J. Manuf. Proc., 70: 24 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.08.018
  33. C.M. Liu, H.M. Wang, X.J. Tian, H.B. Tang, and D. Liu, Mater. Sci. Eng. A, 586: 323 (2013); https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.08.032
  34. C.M. Liu, H.M. Wang, X.J. Tian, and D. Liu, Mater. Sci. Eng. A, 604: 176 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.028
  35. B. Baufeld, O. Van der Biest, and S. Dillien, Metall. Mater. Trans. A, 41:1917 (2010); https://doi.org/10.1007/s11661-010-0255-x
  36. M.J. Bermingham, L. Nicastro, D. Kent, Y. Chen, and M.S. Dargusch, J. Alloys Compounds, 753: 247 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.04.158
  37. A. du Plessis and E. Macdonald, Additive Manuf., 34: 101191 (2020); https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101191
  38. M.B. Berger, T.W. Jacobs, B.D. Boyan, and Z. Schwartz, J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater., 108: 1262 (2020); https://doi.org/10.1002/jbm.b.34474
  39. V. Popov, A. Katz-Demyanetz, A. Garkun, G. Muller, E. Strokin, and H. Rosenson, Proc. Manuf., 21: 125 (2018); https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.02.102
  40. N. Eshawish, S. Malinov, W. Sha, and P. Walls, J. Mater. Eng. Perform., 30: 5290 (2021); https://doi.org/10.1007/s11665-021-05753-w
  41. S.N. Liu, and Y.C. Shin, Mater. Des., 164: 107552 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.107552
  42. Z. Zhao, J. Chen, X.F. Lu, H. Tan, X. Lin, and W.D. Huang, Mater. Sci. Eng. A, 691: 16 (2017); http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2017.03.035
  43. M. Thoms, G.J. Baxter, I. Todd. Acta Mater., 108: 26 (2016); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.025
  44. T. Wang, Y.Y. Zhu, S.Q. Zhang. J. Alloys Compounds, 632: 513 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.256
  45. B.E. Carroll, T.A. Palmer, A.M. Beese., Acta Mater., 87: 309 (2015); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.054
  46. A. Kratky, Production of Hard Metal Alloys, Patent US2076952, Publ. Apr. 13, 1937.
  47. I. Harter, Method of Forming Structures Wholly of Fusion Deposited Weld Metal, Patent US2299747A, Publ. Oct. 27, 1942.
  48. C.O. Brown, E.M. Breinan, and B.H. Kear, Method for Fabricating Articles by Sequential Layer Deposition, Patent US4323756A, Publ. Apr. 06, 1982.
  49. A. Heralić, A.-K. Christiansson, M. Ottosson, and B. Lennartson, Opt. Laser. Eng., 48: 478 (2010); https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2009.08.012
  50. E. Brandl, F. Palm, V. Michailov, B. Viehweger, and C. Leyens, Mater. Des., 32: 4665 (2011); https://doi.org/10.1016/j.phpro.2010.08.087
  51. E. Brandl, A. Schoberth, and C. Leyens, Mater. Sci. Eng. A, 532: 295 (2012); https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.10.095
  52. D.S. Henn, Solid Freeform Fabrication System and Method, US Patent 7073561, Publ. Jul. 11, 2006.
  53. K.M. Taminger, J.K. Watson, R.A. Hafley, and D.D. Petersen, Solid Freeform Fabrication Apparatus and Methods, Patent US7168935 B1, Publ. Jan 30, 2007.
  54. S.V. Fortuna, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev, A.S. Fortuna, and D.A. Gurianov, AIP Conf. Proc., 2051: 020092 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5083335
  55. P. Wanjara, K. Watanabe, C. de Formanoir, Q. Yang, C. Bescond, S. Godet, M. Brochu, K. Nezaki, J. Gholipour, and P. Patnaik, Adv. Mater. Sci. Eng., 2019: 3979471 (2019); https://doi.org/10.1155/2019/3979471
  56. P. Wanjara, J. Gholipour, E. Watanabe, K. Watanabe, T. Sugino, P. Patnaik, F. Sikan, and M. Brochu, Adv. Mater. Sci. Eng., 2020: 1902567 (2020); https://doi.org/10.1155/2020/1902567
  57. F. Pixner, F. Warchomicka, P. Peter, A. Steuwer, M.H. Colliander, R. Pederson, and N. Enzinger, Materials, 13: 3310 (2020); https://doi.org/10.3390/ma13153310
  58. S. Lopez-Castaño, P. Emile,C. Archambeau, F. Pettinari-Sturmel, and J. Douin. TMS 2021 150th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. The Minerals, Metals & Materials Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-65261-6_16
  59. D.V. Kovalchuk, V.I. Melnik, I.V. Melnik and B.A. Tugaj, Method for Manufacturing Three-Dimensional Objects and Devices for Its Implementation, UA Patent 112682 C2, Ukraine, Publ. Oct. 10, 2016, Bulletin No. 19 (in Ukrainian).
  60. D.V. Kovalchuk, G.M. Grigorenko, A.Yu. Tunik, L.I. Adeeva, S.G. Grigorenko, and S.N. Stepanyuk, Electrometallurgy Today, No. 4: 62 (2018) (in Russian); https://doi.org/10.15407/sem2018.04.05
  61. D.V. Kovalchuk, V.I. Melnik, I.V. Melnik and B.A. Tugaj, Automatic Welding, No. 12: 26 (2017) (in Russian); https://doi.org/10.15407/as2017.12
  62. D. Kovalchuk, O. Ivasishin, and D. Savvakin, MATEC Web of Conferences, 321: 03014 (2020); https://doi.org/10.1051/matecconf/202032103014
  63. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekhtyar, O. Stasiuk, and P. Markovsky, J. Mater. Eng. Perform., 30: 5307 (2021); https://doi.org/10.1007/s11665-021-05770-9
  64. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugaj, J. Elektrotechnica & Elektronica, 51, Nos. 5–6: 37 (2016); https://epluse.ceec.bg/wp-content/uploads/2018/08/20160506-full.pdf
  65. O.M. Ivasishin D.V. Kovalchuk, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, D.V. Oryshych, S.G. Sedov, and V.A. Golub, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 75 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075
  66. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 38 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.038

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,