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

Мікроструктура та механічні властивості стопів Ti–6Al–4V, одержаних методом адитивного виробництва з урахуванням технологічних чинників й ефектів подальшого оброблення

КИРИЛАХА С.В., КАПУСТЯН О.Є., МАРТОВИЦЬКИЙ Л.М., ФРОЛОВ Р.О.

Національний університет «Запорізька політехніка», вул. Жуковського, 64; 69063 Запоріжжя, Україна

Отримано / остаточна версія: 23.07.2025 / 04.11.2025 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Адитивне виробництво (АВ) визнано перспективною технологією виготовлення високоміцних титанових стопів, зокрема Ti–6Al–4V, завдяки гнучкості в конструюванні, можливості формування за розмірами, близькими до кінцевих, та ефективному використанню матеріялу. У даній роботі представлено комплексну аналізу мікроструктурних характеристик і механічних властивостей стопу Ti–6Al–4V, одержаного різними методами АВ, з основним акцентом на селективне лазерне топлення, пряме лазерне спікання металів, а також адитивне виробництво з використанням дугового джерела й дроту (АВВДДД). Критично розглянуто вплив технологічних параметрів, таких як потужність лазера, швидкість сканування, крок ходу лазера та густина енергії, на пористість, морфологію зерен і анізотропію на основі новітніх експериментальних досліджень. Також обговорено роль термічного оброблення у зміні мікроструктури, знятті залишкових напружень і поліпшенні міцности та пластичности. У статті подано детальний огляд сучасних експериментальних і аналітичних досліджень, що стосуються впливу параметрів адитивного виробництва, зокрема технології АВВДДД, на формування мікроструктури й експлуатаційних властивостей стопу Ti–6Al–4V. Особливу увагу приділено впливу швидкости подання дроту, сили струму дуги, температури міжшарового охолодження та теплового циклу на структурну неоднорідність, розмір зерен, розподіл фаз α/β й утворення дефектів у зоні топлення. Проаналізовано роль термічного та термомеханічного післяоброблень у зменшенні залишкових напружень, підвищенні пластичности й однорідности структури. Огляд також охоплює морфологічні переходи між стовпчастою та рівновісною зернистими структурами, фазові перетворення у різних зонах осадження та вплив швидкости охолодження на кристалографічну текстуру. Порівняльна оцінка показує, що технології з використанням порошкового шару забезпечують ліпшу роздільчу здатність і механічні властивості, тоді як АВВДДД є більш придатним для виготовлення великогабаритних конструкцій, але потребує додаткового післяоброблення задля пониження температурних ґрадієнтів і зменшення анізотропії, спричиненої текстурою. Наведено типові приклади, які демонструють зв’язок між параметрами процесу та показниками міцности на розтяг, відносного подовження, твердости та характеру руйнування. Окреслено конструктивні рішення, спрямовані на контроль температурного поля та мінімізацію деформацій під час осадження. Аналіза підкреслює важливість інтеґрованої оптимізації параметрів процесу та післяоброблення для забезпечення відповідности аерокосмічним стандартам, зокрема AMS 6932. Робота є актуальною для фахівців у галузі фізики металів, матеріялознавства й авіаційного машинобудування, оскільки сприяє формуванню науково обґрунтованого уявлення про взаємозв’язок технологічних параметрів АВВДДД з мікроструктурними та механічними характеристиками адитивно виготовлених титанових стопів..

Ключові слова: адитивне виробництво, титанові стопи, Ti–6Al–4V, мікроструктура, механічні властивості, термічне оброблення, селективне лазерне топлення.

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

Citation: S.V. Kyrylakha, O.Ye. Kapustian, L.M. Martovitsky, and R.O. Frolov, Microstructure and Mechanical Properties of Ti–6Al–4V Alloys Produced by Additive Manufacturing Considering Technological Factors and Post-Treatment Effects, Progress in Physics of Metals, 26, No. 4: ***–*** (2025)

Цитована література   
  1. B. Jin, Q. Wang, L. Zhao, A. Pan, X. Ding, W. Gao, Y. Song, and X. Zhang, A review of additive manufacturing techniques and post processing for high-temperature titanium alloys, Metals, 13, No. 8: 1327 (2023); https://doi.org/10.3390/met13081327
  2. J. Lu and L. Zhuo, Additive manufacturing of titanium alloys via selective laser melting: Fabrication, microstructure, post-processing, performance and prospect, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 111: 106110 (2023); https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2023.106110
  3. Fei Weng, Guijun Bi, Youxiang Chew, Shang Sui, Chaolin Tan, Zhenglin Du, Jinlong Su, Fern and Lan Ng, Robust interface and excellent as-built mechanical properties of Ti–6Al–4V fabricated through laser-aided additive manufacturing with powder and wire, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 32, No. 2: 154–168 (2025); https://doi.org/10.1007/s12613-024-3003-8
  4. A.D. Boccardo, Z. Zou, M. Simonelli, M. Tong, J. Segurado, S.B. Leen, and D. Tourret, Martensite decomposition kinetics in additively manufactured Ti–6Al–4V alloy: in-situ characterisation and phase-field modelling, Materials Design, 241: 112949 (2024); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112949
  5. M.J. Bermingham, L. Nicastro, D. Kent, Y. Chen, and M.S. Dargusch, Optimising the mechanical properties of Ti–6Al–4V components produced by Wire + Arc additive manufacturing with post-process heat treatments, Journal of Alloys and Compounds, 753: 247–255 (2018); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.04.158
  6. P.E. Markovsky, S.V. Akhonin, V.O. Berezos, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, D.V. Oryshych, Ye.I. Lipchanchuk, and O.V. Zatsarna, Layered titanium-based materials manufactured with cast and wrought: production, composition, microstructure, and mechanical properties, Progress in Physics of Metals, 25, No. 4: 736–764 (2024); https://doi.org/10.15407/ufm.25.04.736
  7. M.A. Latypova and A.T. Turdaliev, Additive technologies for 3D printing with metals, Progress in Physics of Metals, 25, No. 2: 386–415 (2024); https://doi.org/10.15407/ufm.25.02.386
  8. 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); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.715
  9. 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, Progress in Physics of Metals, 24, No. 4: 741–763 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.741
  10. A.V. Volokitin, M.A. Latypova, A.T. Turdaliev, and O.G. Kolesnikova, Progress in additive manufacturing, Progress in Physics of Metals, 24, No. 4: 686–714 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.686
  11. 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, Progress in Physics of Metals, 23, No. 3: 438–475 (2022); https://doi.org/10.15407/ufm.23.03.438
  12. N. Shamsaei, A. Yadollahi, L. Bian, and S.M. Thompson, An overview of direct laser deposition for additive manufacturing; Part II: Mechanical behavior, process parameter optimization and control, Additive Manufacturing, 8: 12–35 (2015); https://doi.org/10.1016/j.addma.2015.07.002
  13. F. Wang, S. Williams, P. Colegrove, and A.A. Antonysamy, Microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured Ti–6Al–4V, Metallurgical and Materials Transactions A, 44: 968–977 (2013); https://doi.org/10.1007/s11661-012-1444-6
  14. C. Qiu, N. J.E. Adkins, and M.M. Attallah, Microstructure and tensile properties of selective laser melted Ti–6Al–4V with controllable martensitic transformation, Acta Materialia, 100: 303–312 (2015); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.030
  15. M. Simonelli, Y.Y. Tse, and C. Tuck, The formation of α + β microstructure in as-fabricated selective laser melted Ti–6Al–4V, Journal of Materials Research, 29: 2028–2035 (2014); https://doi.org/10.1557/jmr.2014.204
  16. J. Liu, J. Liu, Y. Li, R. Zhang, Z. Zeng, Y. Zhu, K. Zhang and A. Huang, Effects of post heat treatments on microstructures and mechanical properties of selective laser melted Ti–6Al–4V alloy, Metals, 11: 1593 (2021); https://doi.org/10.3390/met11101593
  17. B. Jin, Q. Wang, L. Zhao, A. Pan, X. Ding, W. Gao, Y. Song, and X. Zhang, A review of additive manufacturing techniques and post-processing for high-temperature titanium Alloys, Metals, 13, No. 8: 1327 (2023); https://doi.org/10.3390/met13081327
  18. B. Wysocki, P. Maj, R. Sitek, J. Buhagiar, K.J. Kurzydlowski, and W. Swieszkowski, Laser and electron beam additive manufacturing methods of fabricating titanium bone implants, Applied Sciences, 7: 657 (2017); https://doi.org/10.3390/app7070657
  19. L.E. Murr, S.M. Gaytan, E. Martinez, F. Medina, and R.B. Wicker, Next generation orthopaedic implants by additive manufacturing using electron beam melting, International Journal of Biomaterials, 2012: 245727 (2012); https://doi.org/10.1155/2012/245727
  20. J. Wang, Z.X. Pan, Y. Ma, Y. Lu, C. Shen, D. Cuiuri, and H.J. Li, Characterization of wire arc additively manufactured titanium aluminide functionally graded material: Microstructure, mechanical properties and oxidation behaviour, Materials Science and Engineering A, 734: 110–119 (2018); https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.07.097
  21. S. Yin, P. Cavaliere, B. Aldwell, R. Jenkins, H.L. Liao, W.Y. Li, and R. Lupoi, Cold spray additive manufacturing and repair: Fundamentals and applications, Additive Manufacturing, 21: 628–650 (2018); https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.04.017
  22. J. Zhang, Y. Liu, G. Sha, S. Jin, Z. Hou, M. Bayat, N. Yang, Q. Tan, Y. Yin, S. Liu, J.H. Hattel, M. Dargusch, X. Huang, and M.-X. Zhang, Designing against phase and property heterogeneities in additively manufactured titanium alloys, Nature Communications, 13: 4660 (2022); https://doi.org/10.1038/s41467-022-32446-2
  23. X. Zhao, S. Li, M. Zhang, Y. Liu, T.B. Sercombe, S. Wang, Y. Hao, R. Yang, and L.E. Murr, Comparison of the microstructures and mechanical properties of Ti–6Al–4V fabricated by selective laser melting and electron beam melting, Mater. Des., 95: 21–31 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.12.135
  24. A. Safdar, L.Y. Wei, A. Snis, and Z. Lai, Evaluation of microstructural development in electron beam melted Ti–6Al–4V, Materials Characterization, 65: 8–15 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2011.12.008
  25. Z. Lin, K. Song, and X. Yu, A review on wire and arc additive manufacturing of titanium alloy, J. Manuf. Process., 70: 24–45 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.08.018
  26. P. Akerfeldt, M.H. Colliander, R. Pederson, and M.-L. Antti, Electron backscatter diffraction characterization of fatigue crack growth in laser metal wire deposited Ti-6Al-4V, Mater. Charact., 135: 245–256 (2018); https://doi.org/10.1016/J.MATCHAR.2017.11.041
  27. P. Barriobero-Vila, G. Requena, T. Buslaps, M. Alfeld, and U. Boesenberg, Role of element partitioning on the α–β phase transformation kinetics of a bi-modal Ti–6Al–6V–2Sn alloy during continuous heating, J. Alloys Compd, 626: 330–339 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.11.176
  28. M. Bonisch, A. Panigrahi, M. Calin, T. Waitz, M. Zehetbauer, W. Skrotzki, and J. Eckert, Thermal stability and latent heat of Nb-rich martensitic Ti–Nb alloys, Journal of Alloys and Compounds, 697: 300–309 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.108
  29. E. Sallica-Leva, R. Caram, A. Jardini, and J. Fogagnolo, Ductility improvement due to martensite α′ decomposition in porous Ti–6Al–4V parts produced by selective laser melting for orthopedic implants, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 54: 149–158 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.09.020
  30. W. Li, C. Cao, and S. Yin, Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: A literature review, Progress in Materials Science, 110: 100633 (2020); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100633
  31. T.S. Shephe, S.O. Akinwamide, E. Olevsky, and P.A. Olubambi, Additive manufacturing of titanium-based alloys — A review of methods, properties, challenges, and prospects, Journal of Manufacturing Processes, 88: 693–730 (2022); https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09041
  32. H.D. Nguyen, A. Pramanik, A.K. Basak, Y. Dong, C. Prakash, S. Debnath, S. Shankar, I.S. Jawahir, S. Dixit, and D.A. Buddhi, Critical review on additive manufacturing of Ti–6Al–4V alloy: microstructure and mechanical properties, Journal of Materials Research and Technology, 18: 4641–4661 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.04.055
  33. B.E. Carroll, T.A. Palmer, and A.M. Beese, Anisotropic tensile behavior of Ti 6Al 4V components fabricated with directed energy deposition additive manufacturing, Acta Materialia, 87: 309–320 (2015); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.12.054
  34. T.P. Moran, P.E. Carrion, S. Lee, N. Shamsaei, N. Phan, and D.H. Warner, Hot isostatic pressing for fatigue critical additively manufactured Ti–6Al–4V, Materials, 15: 2051 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15062051
  35. M. Shamir, X. Zhang, A.K. Syed, and W. Sadler, Predicting the effect of surface waviness on fatigue life of a wire + arc additive manufactured Ti–6Al–4V alloy, Materials, 16 (15): 5355 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16155355
  36. Z.A. Mierzejewska, R. Hudak, and J. Sidun, Mechanical properties and microstructure of DMLS Ti6Al4V alloy dedicated to biomedical applications, Materials, 12: 176 (2019); https://doi.org/10.3390/ma12010176
  37. C. Kusuma, S.H. Ahmed, A. Mian, and R. Srinivasan, Effect of laser power and scan speed on melt pool characteristics of commercially pure titanium(CP-Ti), Journal of Materials Engineering and Performance, 26: 3560–3568 (2017); https://doi.org/10.1007/s11665-017-2768-6
  38. ASTM F1472–14. Standard specification for wrought titanium–6Al–4V alloy for surgical implant applications. (West Conshohocken, PA: ASTM International: published November 15, 2014).
  39. A. Khorasani, I. Gibson, U.S. Awan, and A. Ghaderi, The effect of SLM process parameters on density, hardness, tensile strength and surface quality of Ti–6Al–4V, Additive Manufacturing, 25: 176–186 (2019); https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.002
  40. B. Vrancken, L. Thijs, J.P. Kruth, and J. Van Humbeeck, Heat treatment of Ti6Al4V produced by selective laser melting: Microstructure and mechanical properties, Journal of Alloys and Compounds, 541: 177–185 (2012); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.07.022
  41. M. Wang, H. Yan, Q. Lu, P. Zhang, and K. Liu, Selective laser melted Ti–6Al–4V alloy after post heat treatments: microstructure, mechanical properties and fatigue behavior, Journal of Materials Engineering and Performance, 34: 5381–5393 (2025); https://doi.org/10.1007/s11665-024-09504-5
  42. H. Attar, S. Ehtemam-Haghighi, D. Kent, and M.S. Dargusch, Recent developments and future perspectives on additive manufacturing of titanium alloy parts using powder bed fusion, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 133: 85–102 (2018); https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2018.06.003
  43. A. Khereddine, P. Laheurte, B. Furet, A. Tidu, M. Bigerelle, and S. Belhabib, Thermal stability and phase transformation of additively manufactured Ti–6Al–4V alloy: Influence of heat treatment and microstructure evolution, Journal of Materials Science and Technology, 142: 1–11 (2023).
  44. O.I. Dekhtyar, J. Janiszewski, and P.E. Markovsky, Patterns of the mechanisms of deformation and strain hardening of titanium alloys and metal matrix composites based on the analysis of experimental results on quasi-static and dynamic compressions, Progress in Physics of Metals, 26, No. 3: 626–679 (2025); https://doi.org/10.15407/ufm.26.03.626

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,