Випуски $\rightarrow$ Том 24, випуск 4 (2023)

Новий підхід до виготовлення металоматричних композитів Ti–6Al–4V+40%TiC 3D-друком із використанням конічного електронного променя та порошкового дроту. Ч. 1: Основні особливості процесу, формування структури та характеристики 3D-друкованого матеріялу

П. Є. Марковський$^{1}$, Д. В. Ковальчук$^{2}$, С. В. Ахонін$^{3}$, С. Л. Шваб$^{3}$, Д. Г. Саввакін$^{1}$, O. O. Стасюк$^{1}$, Д. В. Оришич$^{1}$, Д. В. Ведель$^{4}$, М. A. Скорик$^{1}$, В. П. Ткачук$^{2}$

$^1$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
$^3$Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, вул. Казимира Малевича, 11, 03150 Київ, Україна
$^4$Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Омеляна Пріцака, 3, 03142 Київ, Україна

Отримано 25.08.2023; остаточна версія — 30.10.2023 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
В даній статті розглянуто новий метод виготовлення за адитивними технологіями металоматричного композиту на основі титанового стопу Ti–6Al–4V, зміцненого частинками карбіду Титану, а також шаруватих структур, що складаються з шарів вказаного композиту та стопу Ti–6Al–4V. Метод ґрунтується на 3D-друці з використанням електронного променя конічного профілю та спеціяльного порошкового дроту, склад якого відповідає металоматричному композиту. В роботі описано деталі виробництва такого дроту та процесу 3D-друку з його використанням, особливості формування мікроструктури та фазового складу друкованого композитного матеріялу. В додаткових експериментах розглянуто особливості змочування частинок карбіду Титану розтопом складу Ti–6Al–4V в процесі 3D-друку та можливі термоґравітаційні ефекти (спливання або опускання на дно розтопу) твердих частинок TiC. Показано вплив індивідуальних компонентів у складі дроту на формування мікроструктури та її однорідність у поперечному перерізі друкованого шару. Показано можливість формування однорідного структурного стану та досягнення достатньо високих значень твердости (вище 600 HV) шару металоматричного композиту, друкованого на плиті Ti–6Al–4V в якості підкладинки.

Ключові слова: адитивні технології, 3D-друк, титанові стопи, металоматричний композит, мікроструктура, текстура, твердість.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.715

Citation: P. E. Markovsky, D. V. Kovalchuk, S. V. Akhonin, S. L. Schwab, D. G. Savvakin, O. O. Stasiuk, D. V. Oryshych, D. V. Vedel, M. A. Skoryk, and V. P. Tkachuk, New Approach for Manufacturing Ti–6Al–4V+40%TiC Metal-Matrix Composites by 3D Printing Using Conic Electron Beam and Cored Wire. Pt. 1: Main Features of the Process, Microstructure Formation and Basic Characteristics of 3D Printed Material, Progress in Physics of Metals, 24, No. 4: 715–740 (2023)

Цитована література   
  1. U. Zwicker, Titan und Titanlegierungen (Berlin: Springer-Verlag: 1974).
  2. G. Luetjering and J.C. Williams, Titanium. 2nd Ed. (Berlin: Springer: 2007); https://doi.org/10.1007/978-3-540-73036-1
  3. R.I. Jaffee and H.M. Burte, Titanium Science and Technology (Berlin: Springer: 1973); https://doi.org/10.1007/978-1-4757-1346-6
  4. D. Miracle, Compos. Sci. Technol., 65, Nos. 15–16: 2526–2540 (2005); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.05.027
  5. Z.X. Du, S.L. Xiao, P.X. Wang, L.J. Xu, Y.Y. Chen, and H.K.S. Rahoma, Mater. Sci. Eng. A, 596, No. 71: 2526–2540 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.12.043
  6. M. Eriksson, D. Salamon, M. Nygren, and Z. Shen, Mater. Sci. Eng. A, 475, Nos. 1–2: 101–104 (2008). https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.161
  7. P. Wanjara, R.A.L. Drew, J. Root, and S. Yue, Acta Mater., 48, No. 7: 1443–1450 (2000); https://doi.org/10.1016/s1359-6454(99)00453-x
  8. K. B. Panda and K. S. Ravi Chandran, Metall. Mater. Trans. A 34, No. 9: 1993–2003 (2003); https://doi.org/10.1007/s11661-003-0164-3
  9. D. Zhu, L. Zhang, W. Wu, L. Lu, J. Song, X. Ni, W. Zhu, J. Zhao, S. Gu, and X. Shan, J. Phys., 1838, No. 1: 012039 (2021); https://doi.org/10.1088/1742-6596/1838/1/012039
  10. O.M. Ivasishin and V.S. Moxson, Low-Cost Titanium Hydride Powder Metallurgy, Titanium Powder Metallurgy: Past, Present and Future (New York: Elsevier: 2015), p. 117–148; https://doi.org/10.1016/B978-0-12-800054-0.00008-3
  11. O.M. Ivasishin, V.M. Anokhin, A.N. Demidik, and D.G. Savvakin, Key Eng. Mater., 188: 55–62 (2000); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.188.55
  12. M. Qian, L. Junjie, and G. Mingyuan, J. Lake Sci., 22, No. 1: 29–34 (2010); https://doi.org/10.18307/2010.0104
  13. O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, M.N. Rad and S.V. Prikhodko, J. Mater. Process. Technol., 269: 172–181 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.02.006
  14. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.M. Ivasishin, V.I. Bondarchuk, and S.V. Prikhodko, J. Mater. Eng. Perform., 28, No. 9: 5772–5792 (2019); https://doi.org/10.1007/s11665-019-04263-0
  15. S.V. Prikhodko, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, M.N. Rad, C. Choi, and O.M. Ivasishin, Microsc. Microanal., 24, No. S1: 2218–2219 (2018); https://doi.org/10.1017/s1431927618011571
  16. P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasyuk, M. Mecklenburg, M. Pozuelo, C. Roberts, V. Ellison, and S.V. Prikhodko, Mater. & Des., 234: 112208 (2023); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112208
  17. S. Prikhodko, D. Savvakin, P. Markovsky, O. Stasiuk, N. Enzinger, F. Deley, B. Flipo, A. Shirzadi, H. Davies, P. Davies, J. Penny, K. Bozhilov, and O. Ivasishin, Microsc. Microanal., 25, No. S2: 812–813 (2019); https://doi.org/10.1017/s1431927619004793
  18. S. Liu and Y. C. Shin, Mater. & Des., 164: 107552 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.107552
  19. A.H. Chern, P. Nandwana, T. Yuan, M.M. Kirka, R.R. Dehoff, P.K. Liaw, and C. E. Duty, Int. J. Fatigue, 119, 173–184: (2019); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2018.09.022
  20. T. Nagase, T. Hori, M. Todai, S.-H. Sun, and T. Nakano, Mater. & Des., 173, 107771: (2019); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107771
  21. L.E. Murr, Metallogr. Microstruct. Anal., 7, No. 2: 103–132: (2018); https://doi.org/10.1007/s13632-018-0433-6
  22. Patent of the USA No.10,695,835 B2 ‘Method and Apparatus for Manufacturing of Three Dimensional Objects’ (June 30, 2020).
  23. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugai, Ehlektrotekhnika & Ehlektronika E+E, 51, Nos. 5–6: 37 (2016); https://epluse.ceec.bg/wp-content/uploads/2018/08/20160506-full.pdf
  24. D. Kovalchuk and O. Ivasishin, Profile Electron Beam 3D Metal Printing, Additive Manufacturing for the Aerospace Industry (Elsevier: 2019), p. 213–233; https://doi.org/10.1016/b978-0-12-814062-8.00012-1
  25. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekhtyar, O. Stasiuk, and P. Markovsky, J. Mater. Eng. Perform., 30, No. 7: 5307–5322 (2021); https://doi.org/10.1007/s11665-021-05770-9
  26. D. Kovalchuk, V. Melnyk, and I. Melnyk, J. Mater. Eng. Perform., 31: 6069–6082 (2022); https://doi.org/10.1007/s11665-022-06994-z
  27. A.E. Davis, J.R. Kennedy, D. Strong, D. Kovalchuk, S. Porter, and P.B. Prangnell, Materialia, 20: 101202 (2021); https://doi.org/10.1016/j.mtla.2021.101202
  28. J. Hu, J. Zhang, Y. Wei, H. Chen, Y. Yang, S. Wu, D. Kovalchuk, E. Liang, X. Zhang, H. Wang, and A. Huang, JOM, 73, No. 7: 2241–2249 (2021); https://doi.org/10.1007/s11837-021-04712-z
  29. 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: 75–105 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075
  30. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 5–37 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005
  31. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 38–74 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.038
  32. S. Schwab, R. Selin, and M. Voron, Weld. World, 67: 981–986 (2023); https://doi.org/10.1007/s40194-023-01464-z
  33. S.V. Akhonin and S.L. Schwab, Paton Weld. J., 2019, No. 6: 34–37 (2019); https://doi.org/10.15407/tpwj2019.06.06
  34. V.P. Prilutsky, S.V. Akhonin, S.L. Schwab, and I.K. Petrychenko, Mater. Sci. Forum, 927: 119–125 (2018); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.927.119
  35. A.V. Zavdoveev, T. Baudin, D.G. Mohan, D.L. Pakula, D.V. Vedel, and M.A. Skoryk, Prog. Phys. Met., 24, No. 3: 561–592 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.03.561
  36. H.O. Pierson, Handbook of Refractory Carbides & Nitrides: Properties, Characteristics, Processing and Applications (Westwood, NJ, USA: Noyes Publications: 1996); https://www.sciencedirect.com/book/9780815513926/handbook-of-refractory-carbides-and-nitrides#book-description
  37. O.N. Grigoriev, A.V. Stepanenko, V.B. Vinokurov, I.P. Neshpor, T.V. Mosina, and L. Silvestroni, J. Eur. Ceram. Soc., 41, No. 9: 4720–4727 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.053
  38. D. Vedel, M. Storozhenko, P. Mazur, V. Konoval, M. Skoryk, O. Grigoriev, M. Heaton, and A. Zavdoveev, Open Ceram., 15: 100393 (2023); https://doi.org/10.1016/j.oceram.2023.100393
  39. M.D. Abramoff, P.J. Magalhaes, and S.J. Ram, Biophotonics Int., 11, No. 7: 36 (2004).
  40. I.L. Shabalin, Ultra-High Temperature Materials I (Dordrecht: Springer: 2014); https://doi.org/10.1007/978-94-007-7587-9
  41. I. Spiridonova, A. Panasyuk, E. Sukhovaya, and А. Umanskiy, Stability of Composite Materials (Dnipropetrovsk: Svidler: 2011) (in Russian).
  42. A.D. Panasyuk, V. Fomenko, and G. Glebova, Resistance of Non-Metallic Materials in Melts (Kiev: Naukova Dumka: 1986) (in Russian).
  43. A.F. Lisovsky, Migration of Metal Melts in Sintered Composite Bodies (Kiev: Naukova Dumka: 1984) (in Russian).
  44. A. Salmasi, S.J. Graham, I. Galbraith, A.D. Graves, M. Jackson, S. Norgren, D. Guan, H. Larsson, and L. Höglund, Calphad, 74: 102300 (2021); https://doi.org/10.1016/j.calphad.2021.102300
  45. P.G. Clites and E.D. Calvert, Laboratory-Scale Casting Furnaces for High-Melting-Point Metals (Washington: US Department of the Interior Bureau of Mines: 1961).
  46. P. Wanjara, R.A.L. Drew, J. Root, and S. Yue, Acta Mater., 48, No. 7: 1443–1450 (2000); https://doi.org/10.1016/s1359-6454(99)00453-x
  47. T.O. Mapoli, K.A. Annan, C.W. Siyasiya, and K. Mutombo, IOP Conf. Ser., 655: 012028 (2019); https://doi.org/10.1088/1757-899x/655/1/012028
  48. S.V. Prikhodko, P.E. Markovsky, S.D. Sitzman, M.A. Gordillo, J.M.K. Wiezorek, and O.M. Ivasishin, Proceedings of the 13th World Conference on Titanium (Eds. V. Venkatesh, A.L. Pilchak, J.E. Allison, S. Ankem, R. Boyer, J. Christodoulou, H.L. Fraser, M. Ashraf Imam, and Y. Kosaka) (USA: The Minerals, Metals & Materials Society: 2016), Ch. 64, p. 415; https://doi.org/10.1002/9781119296126.ch64
  49. H. Yu, Q. Fan, and X. Zhu, Materials, 13, No. 17: 3886 (2020); https://doi.org/10.3390/ma13173886
  50. P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuk, J. Janiszewski, B. Fikus, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, M.A. Skoryk, V.I. Nevmerzhytskyi, and V.I. Bondarchuk, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 741–763 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.741

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,