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

Адитивне виробництво стопу Ti–6Al–4V на основі подавання дроту. Частина II. Механічні властивості

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 13.10.2022; остаточна версія — 23.01.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Наразі інтерес до застосування адитивних методів (AM) для виробництва металів, також відомих як 3D-друк, значно зріс у різних галузях промисловості та хірургії. AM має численні значні переваги порівняно із традиційними технологіями віднімання для виготовлення спеціалізованих деталей зі складною геометрією без значних додаткових витрат. В даний час розробляються декілька порошкових АМ-технологій для 3D-друку металів, зокрема селективне лазерне спікання (SLS), селективне лазерне топлення (SLM) і топлення електронним променем (EBM). В останні кілька десятиліть все більше досліджень і розробок присвячено виробництву 3D-друком деталей зі стопу Ti–6Al–4V на основі подачі дроту, який широко досліджувався в різних галузях, таких як аерокосмічна, автомобільна, енергетична та морська промисловість, а також протезування та виробництво ортопедичних імплантатів. Завдяки доцільності економічного виробництва великомасштабних металевих компонентів із відносно високою швидкістю осадження, низькою вартістю обладнання, високою ефективністю матеріалів і скороченим часом виготовлення порівняно з порошковими АМ саме АМ на основі подачі дроту (WFAM) привертає значну увагу у промисловості та наукових колах завдяки своїй здатності виробляти великі компоненти середньої геометричної складності. В останні роки інтенсивно досліджуються три варіанти WFAM, які відрізняються джерелами нагрівання та топлення дроту: топлення дугою — wire + arc additive manufacturing (WAAM); топлення лазером — wire-laser AM (WLAM); топлення електронним променем — wire electron-beam additive manufacturing (WEBAM). Метою даного огляду є систематичний аналіз механічних властивостей зразків стопу Ti–6Al–4V, 3D-друкованих за допомогою різних нагрівальних джерел топлення дроту (WFAM), а саме, дуги, лазера та електронного променя. Зокрема, розглядаючи літературні дані за період 2013–2020 рр., аналізуються такі важливі для практики властивості зразків у стані після друку та після оброблення, як межа плинності, міцність на розрив, видовження та твердість.

Ключові слова: адитивне виробництво, 3D-друк, стоп Ti–6Al–4V, межа плинності, міцність на розрив, видовження, твердість.

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: 38–74 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.038

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. D.A. Lesyk, S. Martinez, B.N. Mordyuk, O.O. Pedash, V.V. Dzhemelinskyi, and А. Lamikiz, Additive Manuf. Let., 3: 100063 (2022); https://doi.org/10.1016/j.addlet.2022.100063
  11. E. Atzeni, S. Genna, E. Menna, G. Rubino, A. Salmi, and F. Trovalusci, Mater., 14: 5366 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14185366
  12. D.A. Lesyk, S. Martinez, B.N. Mordyuk, V.V. Dzhemelinskyi, А. Lamikiz, and G.I. Prokopenko, Surf. Coat. Technol., 381: 125136 (2020); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125136
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. B. Baufeld, O. van der Biest, and R. Gault, Int. J. Mat. Res., 100: 11 (2009); https://doi.org/10.3139/146.110217
  19. B. Baufeld and O. van der Biest, Adv. Mater., 10: 015008 (2009); https://doi.org/10.1088/1468-6996/10/1/015008
  20. B. Baufeld, O. van der Biest, and R. Gault, Mater. Des., 31: S106 (2010); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.11.032
  21. B. Baufeld, O. van der Biest, R. Gault, and K. Ridgway, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 26: 012001 (2011); https://doi.org/10.1088/1757-899X/26/1/012001
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. Y. Xie, M. Gao, F. Wang, Q. Li, and X.Y. Zeng, Mater. Sci. Eng. A, 737: 310 (2018); https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.09.076
  26. B.E. Carroll, T.A. Palmer, A.M. Beese., Acta Mater., 87: 309 (2015); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.054
  27. B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, Y.V. Milman, M.O. Iefimov, and A.V. Sameljuk, Mater. Sci. Eng. A, 563: 138 (2013); https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.11.061
  28. Y. Kudryavtsev and J. Kleiman, Weld. Technol., 58: 47 (2014); https://doi.org/10.1115/PVP2013-97185
  29. B.N. Mordyuk and G.I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. A, 437: 396 (2006); https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.07.119
  30. B.N. Mordyuk and G.I. Prokopenko, J. Sound Vib., 308: 855 (2007); https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.03.054
  31. Y.H. Yang, X. Jin, C.M. Liu, M.Z. Xiao, J.P. Lu, H.L. Fan, and S.Y. Ma, Metals, 8: 934 (2018); https://doi.org/10.3390/met811093
  32. 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
  33. S. Springer, M. Leitner, T. Gruber, B. Oberwinkler, M. Lasnik, and F. Grün, Metals, 12: 795 (2022); https://doi.org/10.3390/met12050795
  34. Z. Zhao, J. Chen, X.F. Lu, H. Tan, X. Lin, and W.D. Huang, Mater. Sci. Eng. A, 691: 16 (2017); https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.03.035
  35. M. Thoms, G.J. Baxter, and I. Todd. Acta Mater., 108: 26 (2016); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.025
  36. T. Wang, Y.Y. Zhu, and S.Q. Zhang, J. Alloys Compounds, 632: 513 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.256
  37. A. Kratky, Production of Hard Metal Alloys, Patent US2076952, Publ. Apr. 13, 1937.
  38. I. Harter, Method of Forming Structures Wholly of Fusion Deposited Weld Metal, Patent US2299747A, Publ. Oct. 27, 1942.
  39. C.O. Brown, E.M. Breinan, and B.H. Kear, Method for Fabricating Articles by Sequential Layer Deposition, Patent US4323756A, Publ. Apr. 06, 1982.
  40. 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
  41. 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
  42. S.H. Mok, G.J. Bi, J. Folkes, I. Pashby, and J. Segal, Surf. Coat. Technol., 202: 4613 (2008); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.03.028
  43. E. Brandl, C. Leyens, and F. Palm, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 26: 012004 (2011); https://doi.org/10.1088/1757-899X/26/1/012004
  44. B. Baufeld, E. Brandl, and O. van der Biest, J. Mater. Proc. Technol., 211: 1146 (2011); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2011.01.018
  45. J. Fu, L. Gong, Y. Zhang, Q. Wu, X.Z. Shi, J.C. Chang, and J.P. Lu, Appl. Sci., 7: 227 (2017); https://doi.org/10.3390/app7030227
  46. D.S. Henn, Solid Freeform Fabrication System and Method, US Patent 7073561, Publ. Jul. 11, 2006.
  47. 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.
  48. 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
  49. D. Kovalchuk, O. Ivasishin, and D. Savvakin, MATEC Web of Conferences, 321: 03014 (2020); https://doi.org/10.1051/matecconf/202032103014
  50. 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
  51. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugaj, J. Elektrotechnica & Elektronica, 51: 37 (2016); https://epluse.ceec.bg/wp-content/uploads/2018/08/20160506-full.pdf
  52. 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
  53. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 5 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005

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,