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

Адитивне виробництво матеріалів на основі титану методом 3D-друку з використанням електронно-променевого топлення дроту: особливості, переваги та перспективи

О. М. Івасишин$^1$, Д. В. Ковальчук$^2$, П. Є. Марковський$^1$, Д. Г. Саввакін$^1$, О. О. Стасюк$^1$, В. І. Бондарчук$^1$, Д. В. Оришич$^1$, С. Г. Седов$^3$, В. А. Голуб$^3$

$^1$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського 36, 03142 Київ, Україна
 $^2$ПРАТ «НВО «ЧЕРВОНА ХВИЛЯ», вул. Дубровицька, 28, 04114 Київ, Україна
 $^3$Національний університет оборони України імені Івана Черняховського, Повітрофлотський проспект, 28, 03049 Київ, Україна

Отримано 11.01.2023; остаточна версія — 23.01.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Потенціал адитивних технологій, а саме, технології xBeam 3D Metal Printing було продемонстровано для виготовлення однорідного стопу Ti–6Al–4V (Ti-6-4, мас.%), а також шаруватих структур на основі титану з механічними властивостями, достатніми для широкого практичного застосування. Основними відмінними рисами цього процесу є використання дроту із титанового сплаву як вихідного матеріалу й електронного променя конічної форми для нагріву та топлення дроту. Стоп Ti-6-4, одержаний 3D-друком за розробленою «стратегією зсуву», відповідає вимогам щодо механічних характеристик відповідних литих і кованих виробів, якщо особливості мікроструктури, анізотропії матеріалу та кристалографічної текстури контролюються належним вибором параметрів процесу. Описано виробництво багатошарових структур, де комбінуються шари різних титанових матеріалів, а саме, технічно чистого титану (CP-Ti), Ti-6-4, високоміцного стопу T110, а також металоматричних композитів (MMC) на основі Ti-6-4, зміцнених частинками TiC. Проаналізовано мікроструктурні особливості та механічні властивості всіх 3D-друкованих матеріалів. Проведено балістичні випробування вказаних матеріалів різними кулями. Описані результати показали багатообіцяючий потенціал технологій 3D-друку, наприклад xBeam 3D Metal Printing, для виготовлення багатошарових броньових матеріалів на основі титану зі зменшеною товщиною та вагою, і, в той же час, достатніми захисними характеристиками.

Ключові слова: титанові стопи, 3D-друк, мікроструктура, багатошаровий матеріал, механічні властивості, антибалістичний захист.

Citation: 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, Additive Manufacturing of Titanium-Based Materials Using Electron Beam Wire 3D Printing Approach: Peculiarities, Advantages, and Prospects, Progress in Physics of Metals, 24, No. 1: 75–105 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075

Цитована література   
  1. G. Lutjering and J.C. Williams, Titanium, 2nd ed. (Berlin, Heidelberg: Springer: 2007]; https://doi.org/10.1007/978-3-540-73036-1
  2. W.E. Frazier, J. Mater. Eng. Perform., 23, No. 6: 1917 (2014); https://doi.org/10.1007/s11665-014-0958-z
  3. T. Wohlers, I. Campbell, T. Caffrey, O. Diegel, and J. Kowen, Wohlers Report 2018: 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry : Annual Worldwide Progress Report (Wohlers Associates: 2018).
  4. B. Gadagi and R. Lekurwale, Materials Today: Proceedings, 45: 277 (2021); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.436
  5. S. Liu and Y. C. Shin, Materials & Design, 164: 107552 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.107552
  6. M. Saunders, Boosting AM adoption – the next phase of market growth (LinkedIn: May 29, 2018).
  7. C. Decaillet, Additive manufacturing — challenges to face, Int. Conf. Titanium 2017 (October 8–11, 2017, Florida, USA).
  8. F. Pixner, F, Warchomichka, P. Peter, A. Steuwer, M.H. Colliander, R. Pederson, and N.Enzinger, Materials, 13, No. 15: 3310 (2020); https://doi.org/10.3390/ma13153310
  9. B. Wysocky, P. Maj, R. Sitek, J. Buhagiar, K.J. Kurzydłowski, and W. Święszkowski, Applied Sciences, 7: 657 (2017); https://doi.org/10.3390/app7070657
  10. A.H. Chern, P. Nandwana, T. Yuan, M.M. Kirka, R.R. Dehoff, P.K. Liaw, and C.E. Duty, International Journal of Fatigue, 199: 173 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.09.022
  11. M. Peters, J. Kumpfert, C.H. Ward, and C. Leyens, Advanced Engineering Materials, 5, No. 6: 419 (2003); https://doi.org/10.1002/adem.200310095
  12. T.L. Jones, K. Kondoh, T. Mimoto, N. Nakanishi, and J. Umeda, Key Engineering Materials, 551: 118 (2013); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.551.118
  13. J.S. Montgomery and M.G.H. Wells, JOM, 4 : 29-32 (2001); https://doi.org/10.1007/s11837-001-0144-2
  14. J.A. Zukas and D.R. Scheffler, International Journal of Solids and Structures, 38: 3321 (2001); https://doi.org/10.1016/S0020-7683(00)00260-2
  15. N.K. Gupta and V. Madlu, International Journal of Impact Engineering, 19: 395 (1997); https://doi.org/10.1016/S0734-743X(97)00001-8
  16. J.K. Lee, Analysis of Multi-Layered Materials under High Velocity Impact Using CTH (Thesis, Master of Science in Aeronautical Engineering: 2008); https://scholar.afit.edu/etd/2685
  17. O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, and S.V. Prikhodko, Journal of Materials Processing Technology, 269: 172 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.02.006
  18. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.M. Ivasishin, V.I. Bondarchuk, and S.V. Prikhodko, Journal of Materials Engineering and Performance, 28: 5772 (2019); https://doi.org/10.1007/s11665-019-04263-0
  19. О.М. Іvasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.О. Stasiuk, V.A. Golub, V.І. Mirnenko, S.H. Sedov, V.А. Kurban, and S.L. Antonyuk, Microstructure and properties of titanium-based materials promising for antiballistic protection, Progress in Physics of Metals, 20, No. 2: 285 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.02.285
  20. D. Kovalchuk and O. Ivasishin, Profile electron beam 3D metal printing, Additive Manufacturing for the Aerospace Industry (Eds. F. Froes and R. Boyer) (Elsevier: 2019), p. 213; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814062-8.00012-1
  21. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugai, Journal of Elektrotechnica & Elektronica, Nos. 5–6: 36 (2016).
  22. D.V. Kovalchuk, V.I. Melnik, I.V. Melnik, and B.A. Tugai (Review, in Russian), Automatic Welding, No. 12: 26 (2017); https://doi.org/10.15407/as2017.12.03
  23. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugai, Journal of Elektrotechnica & Elektronica, 53, Nos. 3–4: 60 (2018).
  24. O.V. Makhnenko, A.S. Milenin, E.A. Velikoivanenko, N.I. Pivtorak, and D.V. Kovalchuk, The Paton Welding Journal, 3: 7 (2017); https://doi.org/10.15407/tpwj2017.03.02
  25. D. Kovalchuk, G. Grygorenko, A. Tunik, L. Adeeva, S. Grygorenko, and S. Stepanyuk, Electrometallurgy Today, 133, No. 4: 62 (2018); https://doi.org/10.15407/sem2018.04.05
  26. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekhtyar, O. Stasiuk, and P. Markovsky, Journal of Materials Engineering and Performance, 30, 7: 5307 (2022); https://doi.org/10.1007/s11665-021-05770-9
  27. D. Kovalchuk, O. Ivasishin, and D. Savvakin, MATEC Web of Conf., 321: 03014 (2020); https://doi.org/10.1051/matecconf/202032103014
  28. P.E. Markovsky, D. Savvakin, O.O. Stasiuk, S.G. Siedov, V.A. Golub, D.V. Kovalchuk, and S.V. Prikhodko, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 43, No. 12: 1573 (2021); https://doi.org/10.15407/mfint.43.12.1573
  29. P.E. Markovsky, O.M. Ivasishin, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, D.V. Oryshych, D.V. Kovalchuk, S.H. Sedov, V.A. Golub, and V.V. Buznytskyi, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 44, No. 10: 1361 (2022); https://doi.org/10.15407/mfint.44.10.1361
  30. J. Fanning, J. Mater. Eng. Perform., 14: 686 (2005); https://doi.org/10.1361/105994905X75457
  31. J. Fanning, Proceedings of the 11th World Conference on Titanium (3–7 June 2007, Kyoto, Japan) (The Japan Institute of Metals Publish: 2007], Vol. 1, p. 487.
  32. J. Janiszewski, B. Fikus, and P.E. Markovsky (Military University of Technology, Warsaw, Poland: 2022) (unpublished work).
  33. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, V.I. Bondarchuk, O.O. Stasyuk, K. Cieplak, and O.P. Karasevska, Metallography, Microstructure, and Analysis, 10: 839 (2021); https://doi.org/10.1007/s13632-021-00797-9
  34. D.D. Showalter, W.A. Gooch, M.S. Burkins, and R. Stockman Koch, Ballistic testing of SSAB ultra-high-hardness steel for armor applications (Army Research Laboratory, ARL-TR-4632: 2008]; https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA493654.pdf
  35. W.A. Gooch, M.S. Burkins, R. Squillacioti, R.-M. Stockman Koch, H. Oscarsson, and C. Nash, Ballistic testing of Swedish steel ARMOX ® plate for U.S. armor application (21st International Symposium on Ballistics, 19–23 April 2004, Adelaide, South Australia).
  36. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Progress in Physics of Metals, 24, No. 1: 5 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005
  37. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Progress in Physics of Metals, 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,