Випуски $\rightarrow$ Том 26, випуск 4 (2025)

Удосконалені шаруваті матеріяли на основі титану, одержані 3D-друком електронним променем із застосуванням порошкового дроту

МАРКОВСЬКИЙ П.Є.$^{1}$, КОВАЛЬЧУК Д.В.$^{1,2}$, ЯНІШЕВСЬКИЙ Я.$^{3}$, САВВАКІН Д.Г.$^{1}$, ФІКУС Б.$^{3}$, СЕНКЕВИЧ Ю.$^{3}$, СТАСЮК О.О.$^{1}$, ОРИШИЧ Д.В.$^{1}$, НЕВМЕРЖИЦЬКИЙ В.I.$^{1,2}$, ТКАЧУК В.П.$^{1,2}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульвар Академіка Вернадського, 36; 03142 Київ, Україна
$^2$ПрАТ «НВО Червона Хвиля», вул. Дубровицька, 28; 04114 Київ, Україна
$^3$Військовий технічний університет ім. Ярослава Данбровського, вул. Генерала Сильвестра Каліського, 2; 00-908 Варшава, Польща

Отримано / остаточна версія: 30.06.2025 / 31.10.2025 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Шаруваті матеріяли на основі титану, в яких поєднано тверді шари металоматричних композитів (MMК) із шарами пластичних базових (опорних) шарів, демонструють значні перспективи для досягнення поліпшених механічних та експлуатаційних характеристик. У даній роботі досліджено двошарові матеріяли, що складаються з базової підкладинки, виготовленої з прокату титанового стопу (пластин Ti–6Al–4V), із верхніми шарами MMК, нанесеними на них за допомогою 3D-друку. Ці шари MMК було створено також на основі стопу Ti–6Al–4V та армовано на 40 об.% частинками TiC. Порошковий дріт, що містить таку композицію MMК, використовувався як матеріял, що наносився новітнім методом 3D-друку, який використовує низьковольтний профільний електронний пучок як джерело тепла та оптимізовану коаксіяльну подачу дроту. Результати показали, що, змінюючи товщину окремих шарів, можна створювати удосконалені матеріяли, які демонструють чудове поєднання міцности, твердости та пластичности, натомість поєднання яких неможливо досягти в одношарових литих або деформованих титанових стопах чи окремо в MMК. Мікроструктуру шарів MMК, надрукованих за допомогою 3D-друку, та межі поділу з основними матеріялами було детально досліджено з метою визначення особливостей, що відповідають за поліпшення властивостей. Було проведено балістичні випробування шаруватих матеріялів MMК/стопів для оцінювання їхньої придатности для використання в якості бронестійких матеріялів. Було проаналізовано вплив мікроструктури, товщини шару та комбінації складових матеріялів на захисні характеристики для оптимізації балансу бажаних властивостей. Ці матеріяли також порівнювали з іншими типами шаруватих і гомогенних матеріялів на основі титану, одержаних 3D-друком, з точки зору балістичної стійкости. Обговорено потенційне місце їх серед інших броньових матеріялів.

Ключові слова: матеріяли на основі титану, металоматричні композити, адитивні технології, 3D-друк електронним променем із застосуванням дроту, тверді частинки, мікроструктура, термінальні балістичні випробування.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.26.04.***

Citation: P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuk, J. Janiszewski, D.G. Savvakin, B. Fikus, J. Sienkiewicz, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, V.I. Nevmerzhytsky, and V.P. Tkachuk, Advanced Layered Titanium-Based Materials 3D-Printed with Electron Beam and Cored Wire Approach, Progress in Physics of Metals, 26, No. 4: ***–*** (2025)

Цитована література   
  1. G. Luetjering and J.C. Williams, Titanium (Berlin: Springer: 2007); https://doi.org/10.1007/978-3-540-73036-1
  2. M. Peters, J. Kumpfert, C.H. Ward, and C. Leyens, Adv. Eng. Mater., 5, No. 6: 419–427 (2003); https://doi.org/10.1002/adem.200310095
  3. F.H.S. Froes, M.N. Gungor, and M. Ashraf Imam, JOM, 59, No. 6: 28–31 (2007). https://doi.org/10.1007/s11837-007-0074-8
  4. M. Bunck, R. Salber, and T. Stoyanov, Trans. Indian Natl. Acad. Eng., 9: 141–154 (2024); https://doi.org/10.1007/s41403-023-00436-5
  5. D. Miracle, Compos. Sci. Technol., 65, Nos. 15–16: 2526–2540 (2005); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.05.027
  6. 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
  7. S.V. Prikhodko, O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, and O.O. Stasiuk, NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics (Dordrecht, Netherlands: Springer: 2020), pp. 127–140; https://doi.org/10.1007/978-94-024-2021-0_13
  8. 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
  9. D. Kovalchuk and V.I. Melnyk, Journal of Materials Engineering and Performance, 31 No. 8: 6069–6082 (2022); https://doi.org/10.1007/s11665-022-06994-z
  10. D. Kovalchuk, O. Ivasishin, and D. Savvakin, MATEC Web Conf., 321: 03014 (2020); https://doi.org/10.1051/matecconf/202032103014
  11. P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuk, S.V. Akhonin, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, D. Shwab, D.V. Oryshych, 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, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 715–740 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.715
  12. O.M. Іvasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.A. Golub, V.I. Mirnenko, S.H. Sedov, V.А. Kurban, and S.L. Antonyuk, Microstructure and properties of titanium-based materials promising for antiballistic protection, Prog. Phys. Met., 20, No. 2: 285–309 (2019); https://doi.org/10.15407/ufm.20.02.285
  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, 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, Titanium-based layered armour elements manufactured with 3D-printing approach, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 44, No. 10: 1361–1375 (2022); https://doi.org/10.15407/mfint.44.10.1361
  15. B. Fikus, K. Piasta, P. Markovsky, D. Kovalchuk, J. Dobrowolska, and J. Sienkiewicz, Abstr. 34th Int. Symp. Ballistics (Destech Publications, Inc.: 2025); https://doi.org/10.12783/ballistics25/37227
  16. D.V. Kovalchuk, D.G. Savvakin, J. Janiszewski, B. Fikus, K. Piasta, V. Nevmerzhytskiy, V. Tkachuk, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, M.A. Skoryk, and P.E. Markovsky, Abstr 34th Int. Symp. Ballistics (Destech Publications, Inc.: 2025); https://doi.org/10.12783/ballistics25/37228
  17. 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, New approach for manufacturing Ti–6Al–4V+40%TiC metal-matrix composites by 3D printing using conic electron beam and cored wire. Pt. 2: Layered MMC/Alloy materials, their main characteristics, and possible application as ballistic resistant materials, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 741–763 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.741
  18. M. Walicki, J. Janiszewski, and K. Cieplak, J. Theor. Appl. Mech., 60, No. 1: 129–140 (2022); https://doi.org/10.15632/jtam-pl/144793
  19. A.M. Diederen, J.P.F. Broos, S.N. van Trigt, and M.C.P. Peijen, Abstr. Meeting on ‘Cost Effective Application of Titanium Alloys in Military Platforms’, for NATO AVT Panel (Loen, Norway, 9–11 May 2001); https://www.researchgate.net/publication/268740375
  20. M.L. Bekci, B.H. Canpolat, E. Usta, M.S. Guler, and Ö.N. Cora, Eng. Sci. Technol. Int. J., 24, No. 4: 990–995 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.001
  21. SSAB. Armox Protection Plate. Protection Steel Buildings data sheet; https://ssabwebsitecdn.azureedge.net/-/media/files/en/armox/armox-protectionsteel-in-buildings-en.pdf?m=20170619110513
  22. E. Gode, A. Teoman, B. Çetin, K. Tonbul, K. Davut, and M.C. Kuşhan, Eng. Sci. Technol. Int. J., 38: 101337 (2023); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101337
  23. J.C. Fanning, Military applications for β titanium alloys, J. Mater. Eng. Perform., 14: 686–690 (2005); https://doi.org/10.1361/105994905X75457
  24. J.C. Fanning, Abstr. World Conf. Titanium-2007 (The Japan Institute of Metals: 2007), pp. 487–490.
  25. The Effect of Thermo-Mechanical Processing on the Ballistic Limit Velocity of Extra Low Interstitial Titanium Alloys Ti-6Al-4V, US Army Research Laboratory Report ARL-MR-486, July 2000.
  26. B. Bhav Singh, G. Sukumar, A. Bhattacharjee, K. Siva Kumar, T. Balakrishna Bhat, and A.K. Gogia, Mater. & Des. (1980–2015), 36: 640–649 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.11.030
  27. P. Markovsky, J. Janiszewski, D. Savvakin, O. Stasyuk, B. Fikus, V. Samarov, V. Ellison, and S. V. Prikhodko, Def. Technol., 39: 1 (2024); https://doi.org/10.1016/j.dt.2024.04.002
  28. 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, Prog. Phys. Met. 24, No. 1: 75–105 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.075
  29. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, V.I. Bondarchuk, O.O. Stasyuk, D.G. Savvakin, M.A. Skoryk, K. Cieplak, P. Dziewit, and S.V. Prikhodko, Metals, 10, No. 11: 1404 (2020); https://doi.org/10.3390/met10111404
  30. M. Ziętal, Testing of the Ti–6Al–4V alloy with addition of TiC (Master’s thesis) (Supervisor: J. Sienkiewicz) (Warsaw, Military University of Technology: 2023).
  31. D.V. Kovalchuk, V.I. Nevmerzhytsky, V.P. Tkachuk, S.V. Akhonin, S.L. Schwab, D.G. Savvakin, D.V. Vedel, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, and P.E. Markovsky, Ti-based metal-matrix composites reinforced with TiC or TiB particles obtained by electron-beam 3D printing using a cored wire, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 47, No. 8: 875–889 (2025); https://doi.org/10.15407/mfint.47.08.0875
  32. D. Vedel, O. Stasiuk, D. Kovalchuk, D. Savvakin, V. Tkachuk, S. Akhonin, S. Schwab, and P. Markovsky, J. Alloy. Compd., 1027: 180617 (2025); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180617
  33. M. Wells, M.S. Burkins, J.C. Fanning, and B. Roopchand, Abstr. Proc. Titanium World Conf. ‘Titanium 99, Science and Technology’ (7–11 June, 1999, Saint Petersburg), vol. 2, pp. 11763–1170.
  34. J.C. Fanning, Abstr. Proc. Titanium World Conf. ‘Titanium 99, Science and Technology’ (7–11 June 1999, Saint Petersburg), vol. 2, pp. 1171–1178.
  35. C. Zheng, F. Wang, X. Cheng, K. Fu, J. Liu, Y. Wang, T. Liu, and Z. Zhu, Mater. Sci. Eng., 608: 53–62 (2014); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.04.032
  36. Ballistic Performance of Titanium Alloys: Ti–6Al–4V Versus Russian Titanium (Army Research Laboratory Report ARL-CR-0533, February 2004).
  37. D.V. Kovalchuk, D.G. Savvakin, J. Janiszewski, B. Fikus, K. Piasta, V. Nevmerzhytskiy, V. Tkachuk, O. O. Stasiuk, D.V. Oryshych, M.A. Skoryk, J. Sienkiewicz, and P.E. Markovsky, Sci. Rep., 15: 12767 (2025); https://doi.org/10.1038/s41598-025-97087-z
  38. STANAG 2920 NATO; https://velmet.ua/en/stanag_2920_nato.html
  39. K.M. Kpenyigba, T. Jankowiak, A. Rusinek, R. Pesci, and B. Wang, Int. J. Impact Eng., 79: 83–94 (2015); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2014.10.007
  40. A.M. Diederen, J.P.F. Broos, and M.C.P. Peijen, Lightweight Armor Systems Symposium (1999); https://publications.tno.nl/publication/34616579/rczAJf/diederen-1999-modern.pdf
  41. A.M. Diederen, J.P.F. Broos, S.N. Trigt, and M.C.P. Peijen, Specialists’ Meeting on ‘Cost Effective Application of Titanium Alloys in Military Platforms’, for NATO AVT Panel (Loen, Norway, 9–11 May 2001); https://www.researchgate.net/publication/268740375_Ballistic_protection_against_armour_piercing_projectiles_using_titanium_base_armour
  42. E. Palta, M. Gutowski, and H. Fang, Int. J. Solids Struct., 136–137: 279–294 (2018); https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.12.021
  43. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, S.V. Akhonin, V.I. Bondarchuk, V.O. Berezos, K. Cieplak, O.P. Karasevska, and M. A. Skoryk, Mechanical behaviour of Ti–15Mo alloy produced with electron-beam cold hearth melting depending on deformation rate and in comparison with other titanium alloys, Prog. Phys. Met., 23, No. 3: 438–475 (2022); https://doi.org/10.15407/ufm.23.03.438
  44. C.W. Ong, C.W. Boey, R.S. Hixson, and J.O. Sinibaldi, Int. J. Eng., 38, No. 5: 369–383 (2011); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2010.12.003
  45. 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
  46. J.P.F. Broos, S.N. van Trigt, and M.C.P. Peijen, Specialists’ Meeting on Cost Effective Application of Titanium Alloys in Military Platforms for NATO AVT Panel (2001); https://www.researchgate.net/publication/268740375
  47. M.L. Bekci, B.H. Canpolat, E. Usta, M.S. Guler, and O.N. Cora, Eng. Sci. Technol. Int. J., 24, No. 4: 990–995 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.01.001
  48. SSAB, Armox Protection Plate, Protection Steel Buildings Data Sheet; https://ssabwebsitecdn.azureedge.net/-/media/files/
  49. M.E. Backman and W. Goldsmith, Int. J. Eng. Sci., 16, No. 1: 1–99 (1978); https://doi.org/10.1016/0020-7225(78)90002-2
  50. Y.-H. Shin, J.-H. Chung, and J.-H. Kim, Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng., 10, No. 6: 762–781 (2018); https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2017.10.007
  51. D. Acar, B.H. Canpolat, and O.N. Cora, Eng. Sci. Technol. Int. J., 51: 101653 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2024.101653
  52. B. Cheeseman, W. Gooch, and M. Burkins, Preprint 24th Int. Ballistics Symposium (New Orleans, LA, USA, 22–26 September 2008); https://www.researchgate.net/publication/292393974_Ballistic_Evaluation_of_Aluminum_2139-T8
  53. L. Jones, R.D. DeLorme, M.S. Burkins, and W.A. Gooch, Abstr. 23rd Int. Symposium on Ballistics (Tarragona, Spain, 16–20 April 2007); https://www.researchgate.net/publication/268379604
  54. E. Medvedovski, Ceram. Int., 36, No. 7: 2103–2115 (2010); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.021
  55. A. Degnah, H. F. Alnaser, I. Al-Helaly, M. Y. Haddad, A. Al-Aredai, F. Alsaif, S. Alkhaibari, M. Alotaibi, M. Abuobaid, and A. Kurdi, J. Mater. Eng. Perform., 34: 8367–8377 (2025); https://doi.org/10.1007/s11665-024-09923-4
  56. P. C. den Reijer, Impact on Ceramic Faced Armour (PhD thesis) (Delft, the Netherland: Delft University of Technology: 1991).
  57. F. Cui, G. Wu, T. Ma, and W. Li, Def. Sci. J., 67, No. 3: 260 (2017); https://doi.org/10.14429/dsj.67.10664
  58. E. Medvedovski, Ceram. Int., 36, No. 7: 2117–2127 (2010); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.022
  59. A. Tasdemirci, G. Tunusoglu, and M. Güden, Int. J. Eng., 44: 1–9 (2012); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2011.12.005
  60. C.W. Ong, C.W. Boey, R.S. Hixson, and J.O. Sinibaldi, Int. J. Impact Eng., 38, No. 5: 369–383 (2011); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2010.12.003
  61. J.K. Lee, Analysis of Multi-Layered Materials under High Velocity Impact Using CTH (Theses and Dissertations: 2008), 2685
  62. E. Palta, M. Gutowski, and H. Fang, Int. J. Solids Struct., 136–137: 279–294 (2018); https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.12.021
  63. https://en.wikipedia.org/wiki/Chobham_armour

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,