Effect of Intense Ultrasonic Impact Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of the Surface of the Co–Cr–Mo–W Alloy Obtained by Means of the Selective Laser Melting of the Powder

S. M. Voloshko$^{1}$, A. P. Burmak$^{1}$, I. A. Vladymyrskyi$^{1}$, B. M. Mordyuk$^{2}$, M. O. Vasyl’yev$^{2}$, V. I. Zakiyev$^{3}$, M. M. Voron$^{1,4}$, P. O. Huryn$^{5}$

$^{1}$Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского», просп. Берестейский, 37, 03056 Киев, Украина
$^{2}$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^{3}$Национальный авиационный университет, просп. Любомира Гузара, 1, 03058 Киев, Украина
$^{4}$Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 34/1, 03142 Киев, Украина
$^{5}$P. L. Shupyk National Healthcare University of Ukraine, 9 Dorohozhytska Str., UA-04112 Kyiv, Ukraine

Получена: 15.05.2024; окончательный вариант - 06.06.2024. Скачать: PDF

The mechanical characteristics, phase composition, residual macroscopic stresses, and surface topography of Co–Cr–Mo–W alloy fabricated using the additive (selective laser melting of powder—SLM) and casting (CT) technologies and modified by ultrasonic impact treatment (UIT) are investigated. A single-contact normal impact-loading mode of UIT is employed. As demonstrated, the macrodefects, including defects of incomplete melting, pores, significant surface roughness, and high levels of residual tensile stresses, which are inherent consequences of 3$D$ printing, are effectively eliminated by short-term UIT in an inert environment. A correlation between the mechanical properties of modified surface layers of the SLM and CT samples and their structural–phase state after UIT exposure for 50 s is established. The strengthening effect of the surface layer of the additively manufactured Co–Cr–Mo–W alloy (by 2 times) is due to the formation of compressive stresses of the first kind (-600 MPa) and martensitic transformation. The Co–Cr–Mo–W alloy obtained by casting technology has lower hardness both in the initial state and after UIT. The strengthening effect does not exceed 1.7 times and is achieved due to a higher level of compressive stresses (-900 MPa) and carbide component refinement.

Ключевые слова: 3$D$ printing, selective laser melting, ultrasonic impact treatment, Co–Cr–Mo–W alloy, structure, phase composition, mechanical properties.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v46/i07/0679.html

PACS: 43.35.+d, 61.72.Ff, 81.20.Ev, 81.30.Kf, 81.65.-b, 83.10.Tv, 87.85.jj


ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. В. І. Біда, В. І. Струк, Ю. І. Забута, Збірник наукових праць співробітників НМАПО ім. П. Л. Шупика, 22: 370 (2013).
  2. М. М. Рожко, В. П. Неспрядько, Ортопедична стоматологія (Київ: Книга плюс: 2013).
  3. W. Riaz, A. Ayesha, and S. Aziz, Professional Med. J., 25: 1261 (2018). Crossref
  4. М. А. Васильев, В. С. Филатова, П. А. Гурин, Журнал функциональных материалов, 1, № 2: 42 (2007).
  5. М. О. Васильєв, В. С. Філатова, П. О. Гурін, Л. Ф. Яценко, Літопис травматології та ортопедії, № 1–2 (29–30): 243 (2014).
  6. L. Porojan, C. E. Savencu, L. V. Costea, M. L. Dan, and S. D. Porojan, Int. J. Electrochem. Sci., 13: 410 (2018).
  7. S. Mercieca, M. C. Conti, J. Buhagiar, and J. Camilleri, J. Appl. Biomater. Funct., 16, Iss. 1: 47 (2018). Crossref
  8. M. Wylie, R. M. Shelton, G. J. P. Fleming, and A. J. Davenport, Dent. Mater., 23: 714 (2007). Crossref
  9. W. C. Chen, F. Y. Teng, and C. C. Hung, Mater. Sci. Eng. C, 35: 231 (2014). Crossref
  10. K. J. Anusavice, R. W. Phillips, C. Shen, N. D. Rawls, and H. R. Phillips, Science of Dental Materials (Elsevier: 2013).
  11. J. M. Powers and J. C. Wataha, Dental Materials: Foundations and Applications (Publisher Mosby: 2016).
  12. J. M. Powers, J. C. Wataha, Y.-W. Chen, and R. G. Craig, Dental Materials: Foundations and Applications (Elsevier: 2017).
  13. R. Rudolf, P. Majerič, and V. Lazic, Advanced Dental Metallic Materials (Springer: 2024). Crossref
  14. А. Ю. Кордіяк, Вісник стоматології, № 2: 135 (1996).
  15. M. O. Vasylyev, I. M. Makeeva, and P. O. Gurin, Progress in Physics of Metals, 20: 310 (2019). Crossref
  16. Youssef S. Al Jabbari, J. Advanced Prosthodontics, 6: 138 (2014). Crossref
  17. H. R. Kim, S. H. Jang, Y. K. Kim, J. S. Son, B. K. Min, K. H. Kim, and T. Y. Kwon, Materials, 9: 96 (2016).
  18. F. J. Gil, E. Fernandez, J. M. Manero, and J. A. Planell, Bio-Medical Mater. Eng., 5: 161 (1995). Crossref
  19. H. Nesse, D. M. A. Ulstein, M. M. Vaage, and M. Filo, J. Prosthet. Dent., 114: 686 (2015). Crossref
  20. E.-H. Kim, D.-H. Lee, S.-M. Kwon, and T.-Y. Kwon, J. Prosthet. Dent., 117: 393 (2016).
  21. R. Van Noort and M. Barbour, Introduction to Dental Materials (Elsevier: 2013).
  22. X. P. Tan, Y. J. Tan, C. S. L. Chow, S. B. Tor, and W. Y. Yeong, Mater. Sci. Eng. C, 76: 1328 (2017). Crossref
  23. P. Wu, J. Wang, and X. G. Wang, Automation in Construction, 68: 21 (2016). Crossref
  24. B. Bhushan and M. Caspers, Microsyst. Technol., 23: 1117 (2017). Crossref
  25. T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Q. Nguyen, and D. Hui, Composites. Part B: Eng., 143: 172 (2018). Crossref
  26. M. O. Vasylyev, B. M. Mordyuk, S. M. Voloshko, and P. O. Gurin, Progress in Physics of Metals, 23: 337 (2022). Crossref
  27. E. D. Rekow, Dental Mater., 36: 9 (2020). Crossref
  28. T. Koutsoukis, S. Zinelis, G. Eliades, K. Al-Wazzan, M. A. Rifaiy, and Y. S. Al Jabbari, J. Prosthodont., 24, Iss. 4: 303 (2015). Crossref
  29. K. P. Krug, A. W. Knauber, and F. P. Nothdurft, Clin. Oral Investig., 19: 401 (2015). Crossref
  30. M. Revilla-Leуn and M. Özcan, Curr. Oral Health Rep., 4: 201 (2017). Crossref
  31. Y. Cao, Y. Zhang, W. Ming, W. He, and J. Ma, Metals, 13: 398 (2023). Crossref
  32. А. П. Бурмак, С. М. Волошко, Б. М. Мордюк, М. О. Васильєв, В. І. Закієв, М. М. Ворон, П. О. Гурин, Металофіз. новітні технол., 45, № 7: 909 (2023).
  33. F. Y. Liao, G. Chen, C. X. Gao, and P. Z. Zhu, Adv. Eng. Mater., 4: 1801013 (2019).
  34. М. О. Васильєв, Б. М. Мордюк, С. І. Сидоренко, С. М. Волошко, А. П. Бурмак, Металофіз. новітні технол., 39, № 1: 49 (2017).
  35. Yu. N. Petrov, G. I. Prokopenko, B. N. Mordyuk, M. A. Vasylyev, S. M. Voloshko, V. S. Skorodzievski, and V. S. Filatova, Mater. Sci. Eng. C, 58: 1024 (2016). Crossref
  36. S. P. Chenakin, B. M. Mordyuk, N. I. Khripta, and V. Yu. Malinin, Металофіз. новітні технол., 45, № 9: 1109 (2023). Crossref
  37. C. Balagna, S. Spriano, and M. G. Faga, Mater. Sci. Eng. C, 32: 1868 (2012). Crossref
  38. I. Zakiev, M. Storchak, G. A. Gogotsi, V. Zakiev, and Y. Kokoieva, Ceramics Int., 47, Iss. 21: 29638 (2021). Crossref
  39. M. Storchak, I. Zakiev, V. Zakiev, and A. Manokhin, Measurement, 191: 110745 (2022). Crossref
  40. V. Zakiev, A. Markovsky, E. Aznakayev, I. Zakiev, and E. Gursky, Congress on Optics and Optoelectronics (August 25–Sept. 2, 2005, Warsaw).
  41. P. Huang and H. F. Lopez, Mater. Lett., 39: 249 (1999). Crossref
  42. Y. Bedolla-Gil, A. Juarez-Hernandez, A. Perez-Unzueta, E. Garcia-Sanchez, R. Mercado-Solis, and M. A. L. Hernandez-Rodriguez, Revista Mexicana de Fisica, 55: 1 (2009).
  43. V. G. Gavriljuk, Mater. Sci. Eng. A, 345: 81 (2003). Crossref
  44. L. Zhang, G. Liu, X. L. Ma, and K. Lu, Acta Mater., 56: 78 (2008). Crossref
  45. J. Augustyn-Nadzieja, Ł. Frocisz, and P. Matusiewicz, Quarterly Tribologia, 305: 7 (2023). Crossref
  46. V. G. Efremenko, A. G. Lekatou, Yu. G. Chabak, B. V. Efremenko, I. Petryshynets, V. I. Zurnadzhy, S. Emmanouilidou, and M. Vojtko, Mater. Today Communications, 35: 105936 (2023). Crossref
  47. D. H. E. Persson, S. Jacobson, and S. Hogmark, Wear, 255, Iss. 1–6: 498 (2003). Crossref
  48. М. О. Васильєв, Б. М. Мордюк, С. М. Волошко, В. І. Закієв, А. П. Бурмак, Д. В. Пефті, Металофіз. новітні технол., 41, № 11: 1499 (2019).
  49. S. A. Firstov, S. R. Ignatovich, and I. M. Zakiev, Strength Mater., 41: 147 (2009). Crossref
  50. T. Beck and J. C. Aurich, J. Mater. Technol., 9: 16410 (2020). Crossref
  51. G. Fargas, J. J. Roa, and A. Mateo, Mater. Sci. Eng. A, 641: 290 (2015). Crossref
  52. O. Unal and R. Varol, Appl. Surf. Sci., 351: 289 (2015). Crossref
  53. X. Kleber and S. Pirfo Barroso, Mater. Sci. Eng. A, 527: 6046 (2010). Crossref
  54. B. N. Mordyuk, G. I. Prokopenko, М. А. Vasylyev, and M. O. Iefimov, Mater. Sci. Eng. A, 458: 253 (2007). Crossref
  55. G. B. Olson and M. Cohen, J. Less-Common Met., 28: 107 (1972). Crossref
  56. C. Montero-Ocampo, H. Lopez, and M. Talavera, Metall. Mater. Trans. A, 30: 611 (1999). Crossref
  57. M. Moria, K. Yamanaka, H. Matsumoto, and A. Chiba, Mater. Sci. Eng. A, 528: 614 (2010). Crossref
  58. Y. Koizumi, S. Suzuki, K. Yamanaka, B.-S. Lee, K. Sato, Y. Li, S. Kurosu, H. Matsumoto, and A. Chiba, Acta Mater., 61: 1648 (2013). Crossref
  59. H. Matsumoto, S. Kurosu, B.-S. Lee, Y. Li, and A. Chiba, Scripta Mater., 63: 1092 (2010). Crossref
  60. A. Mani, A. Salinas-Rodriguez, and H. F. Lopez, Mater. Sci. Eng. A, 528, Iss. 7–8: 3037 (2011). Crossref