Hardness of Ti–6Al–4V (ВТ6) Alloy Samples Fabricated by 3D-Printing Based on Electron-Beam Melting of Wire

B. M. Mordyuk$^{1,2}$, M. O. Vasylyev$^{1}$, S. M. Voloshko$^{2}$, N. I. Khripta$^{1}$

$^{1}$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^{2}$Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина

Получена: 02.07.2022; окончательный вариант - 30.09.2022. Скачать: PDF

Paper examines the effects of ultrasonic impact treatment on the surface hardening of the Ti–6Al–4V (ВТ6) alloy samples obtained by the standard technology and printed by the additive technology ‘xBeam 3D Metal Printing’. To determine the optimal level of the load on the indenter for the microhardness measurements this level is estimated by changing the load in the range of 25–200 g. Orientation dependences of the microhardness of the 3D-printed Ti–6Al–4V (ВТ6) alloy have a slight spread of values ($\pm$ 0,2 GPa). The changes in microhardness of both types of samples are investigated and analysed depending on the duration of ultrasonic impact treatment in the argon stream. The increase in the ultrasonic impact treatment induced hardening effect of the 3D-Ti–6Al–4V (ВТ6) sample as compared to the annealed Ti–6Al–4V (ВТ6) sample can be explained by the change in the structural state, compressive residual stresses, as well as strain induced mechano-chemical oxidation of the surface. The difference in the strength, hardness and plasticity of the near-surface layers leads to a change in mechanical behaviour, which gives the potential for further improvement of the protective characteristics. Hardness measurements can be used to predict the strength of 3D-Ti–6Al–4V (ВТ6) depending on the type of additive manufacturing technology and on the usually required subsequent mechanical or heat treatment.

Ключевые слова: titanium alloys, additive technologies, ultrasonic impact treatment, mechanical characteristics.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v44/i11/1433.html

PACS: 62.40.+i, 64.70.dj, 81.20.Ev, 81.40.-z, 81.65.Kn


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. M. Srivastava, S. Rathee, S. Maheshwari, and T. K. Kundra, Additive Manufacturing: Fundamentals and Advancements (Boca Raton: CRC Press: 2019). Crossref
  2. В. В. Жуков, Г. M. Григоренко, В. A. Шаповалов, Автоматическая сварка, № 5–6: 148 (2016). Crossref
  3. P. M. Rizwan Ali, C. R. Hara Theja, S. Mahammad Syed Sheb, and C. Yuvaraj, Int. J. Res. Applied Sci. Eng. Technol., 3, No. VII: 16 (2015).
  4. D. Ding, Z. Pan, D. Cuiuri, and H. Li, Int. J. Advanc. Manufact. Technol., 81: 465 (2015). Crossref
  5. D. Herzog, V. Seyda, E. Wycisk, and C. Emmelmann, Acta Mater., 117: 371 (2016). Crossref
  6. M. Leary, Design for Additive Manufacturing (Amsterdam: Elsevier: 2020).
  7. J. Pou, A. Riveiro, and P. Davim, Additive Manufacturing (Amsterdam: Elsevier: 2021).
  8. R. Housholder, Moulding Process, Patent of USA No. 4247508 (Published January 27, 1981).
  9. D. S. Henn, Solid Freeform Fabrication System and Method, Patent of USA No. 7073561 (Published July 11, 2006).
  10. K. М. Taminger, J. K. Watson, R. А. Hafley, and D. D. Petersen, Solid Freeform Fabrication Apparatus and Methods, Patent of USA No. 7168935 (Published January 30, 2007).
  11. Д. В. Ковальчук, В. Г. Мельник, І. В. Мельник, Б. А. Тугай, Спосіб виготовлення об’ємних об’єктів і пристрій для його реалізації, Патент України № 112682 (Опубліковано 10 жовтня 2016).
  12. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, and B. Tugai, J. Elektrotechnica Elektronica (E+E), 51: 37 (2016).
  13. Д. В. Ковальчук, В. И. Мельник, И. В. Mельник, Б. А. Тугай, Автоматическая сварка, № 12: 770 (2017).
  14. Д. В. Ковальчук, Г. М. Григоренко, А. Ю. Туник, Л. И. Адеева, С. Г. Григоренко, С. Н. Степанюк, Современная электрометаллургия, № 4: 133 (2018). Crossref
  15. D. Kovalchuk, O. Ivasishin, and D. Savvakin, MATEC Web of Conferences, 321: 03014 (2020). Crossref
  16. D. Kovalchuk, V. Melnyk, I. Melnyk, D. Savvakin, O. Dekhtyar, O. Stasiuk, and P. Markovsky, J. Mater. Eng. Perform., 30: 5307 (2021). Crossref
  17. М. С. Дрозу, Ю. И. Славский, А. А. Барон, Заводская лаборатория, 44: 612 (1978).
  18. И. М. Павлов, Ю. Ф. Тарасович, Г. Г. Лешкевич, А. Е. Шелест, Заводская лаборатория, 44: 605 (1978).
  19. Yu. V. Milman, B. A. Galanov, and S. I. Chugunova, Acta Metall. Mater., 41: 2523 (1993). Crossref
  20. Yu. V. Milman, A. A. Golubenko, and S. N. Dub, Acta Mater., 59: 7480 (2011). Crossref
  21. Ю. В. Мильман, Порошковая металлургия, № 7/8: 93 (1999).
  22. Y. V. Milman, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, and А. А. Golubenko, Usp. Fiz. Met., 19, Iss. 3: 271 (2018). Crossref
  23. Y. V. Milman, B. M. Mordyuk, K. E. Grinkevych, S. I. Chugunova, I. V. Goncharova, A. I. Lukyanov, and D. A. Lesyk, Успехи физ. мет., 21: 554 (2020). Crossref
  24. М. А. Васильев, Г. И. Прокопенко, В. С. Филатова, Успехи физ. мет., 5: 345 (2004). Crossref
  25. М. А. Васильев, В. И. Беда, П. А. Гурин, Физиологический отклик на состояние поверхности металлических дентальных имплантатов (Львов: ГалДент: 2010).
  26. N. Chekir, Y. Tian, J. J. Sixsmith, and M. Brochu, Mater. Sci. Eng. A, 724: 376 (2018). Crossref
  27. N. Shamsaei, A. Yadollahi, L. Bian, and S. M. Thompson, Additive Manufact., 8: 12 (2015). Crossref
  28. A. Gisario, M. Kazarian, F. Martina, and M. Mehrpouya, J. Manufact. Systems, 53: 121 (2019). Crossref
  29. Г. І. Прокопенко, Б. М. Мордюк, М. О. Васильєв, С. М. Волошко, Фізичні основи ультразвукового ударного зміцнення металевих поверхонь (Київ: Наукова думка: 2017).
  30. B. N. Mordyuk and G. I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. А, 437: 396 (2006). Crossref
  31. M. A. Vasylyev, B. N. Mordyuk, V. P. Bevz, S. M. Voloshko, and O. B. Mordiuk, Int. J. Surf. Sci. Eng., 14: 1 (2020). Crossref
  32. М. О. Васильєв, В. С. Філатова, Л. Ф. Яценко, Д. В. Козирєв, Металлофиз. новейшие технол., 34, № 6: 821 (2012).
  33. М. О. Васильєв, Б. М. Мордюк, Г. І. Прокопенко, С. М. Волошко, Л. Ф. Яценко, Н. І. Хріпта, Металлофиз. новейшие технол., 40, № 8: 1029 (2018). Crossref
  34. Г. А. Гогоци, В. И. Галенко, Проблемы прочности, № 3: 104 (1997).
  35. J. G. Swadener, E. P. George, and G. M. Pharr, J. Mech Phys. Sol., 50: 681 (2002). Crossref
  36. М. М. Хрущов, Методы испытания на микротвердость. Приборы (Москва: Наука: 1961).
  37. Y. Pi, G. Agoda-Tandjawa, S. Potiron, C. Demangel, D. Retraint, and H. Benhayoune, J. Nanosci. Nanotechnol., 12: 4892 (2012). Crossref
  38. М. А. Васильєв, С. М. Волошко, Л. Ф. Яценко, Успехи физ. мет., 13: 1001 (2012). Crossref
  39. J. S. Zuback, and T. DebRoy, Mater., 11: 2070 (2018). Crossref
  40. B. N. Mordyuk, O. P. Karasevskaya, and G. I. Prokopenko, Mater. Sci. Eng. A, 559: 453 (2013). Crossref
  41. B. Baufeld and O. van der Biest, Sci. Technol. Adv. Mater., 10: 015008 (2009). Crossref
  42. B. Baufeld, O. van der Biest, and R. Gault, Int. J. Mat. Res., 100, Iss. 11: 1536 (2009). Crossref
  43. B. Baufeld, O. van der Biest, R. Gault, and K. Ridgway, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 26: 012001 (2011). Crossref
  44. F. Martina, J. Mehnen, S. W. Williams, P. Colegrove, and F. Wang, J. Mater. Proc. Technol., 212: 1377 (2012). Crossref
  45. B. Baufeld, E. Brandl, and O. van der Biest, J. Mater. Proc. Technol., 211: 1146 (2011). Crossref
  46. E. Brandl, A. Schoberth, and C. Leyens, Mater. Sci. Eng. A, 532: 295 (2012). Crossref
  47. P. Åkerfeldt, M.-L. Antti, and R. Pederson, Mater. Sci. Eng. A, 674: 428 (2016). Crossref
  48. P. Wanjara, K. Watanabe, C. de Formanoir, Q. Yang, C. Bescond, S. Godet, M. Brochu, K. Nezaki, J. Gholipour, and P. Patnaik, Adv. Mater. Sci. Eng., 2019: 3979471 (2019). Crossref
  49. F. Pixner, F. Warchomicka, P. Peter, A. Steuwer, M. H. Colliander, R. Pederson, and N. Enzinger, Mater., 13: 3310 (2020). Crossref
  50. Я. Б. Фридман, Механические свойства металлов (Москва: Машиностроение: 1972).
  51. В. С. Золоторевский, Механические свойства металлов (Москва: Металлургия: 1983).
  52. D. J. Abson and F. J. Gurney, Metals Technol., 1: 483 (1974). Crossref
  53. J. S. Keist and T. A. Palmer, Mater. Sci. Eng. A, 693: 214 (2017). Crossref
  54. V. Tuninetti, A. F. Jaramillo, G. Rojas-Ulloa Riu, C. Znaidi, A. Medina, C. Mateo, and A. M. Roa, Metals, 11: 104 (2021). Crossref
  55. M. O. Васильєв, Б. M. Мордюк, С. M. Волошко, В. I. Закієв, A. П. Бурмак, Д. В. Пефті, Металлофиз. новейшие технол., 41, № 11: 1499 (2019). Crossref
  56. M. A. Vasylyev, S. P. Chenakin, and L. F. Yatsenko, Acta Mater., 103: 761 (2016). Crossref