Микроструктура и прочность 3D-напечатанного сплава Ti–6Al–4V, подвергнутого кручению под высоким давлением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В настоящее время одним из эффективных методов 3D-печати является проволочная электронно-лучевая аддитивная технология (ЭЛАТ), которая позволяет изготавливать крупногабаритные промышленные заготовки из титанового сплава Ti–6Al–4V. Однако Ti–6Al–4V, полученный данным методом, демонстрирует пониженные прочностные свойства. Известно, что повысить прочностные свойства металлических материалов можно посредством измельчения их зеренной структуры кручением под высоким давлением (КВД). Настоящая работа направлена на исследование влияния КВД на микроструктуру и механическую прочность конструкционного титанового сплава Ti–6Al–4V, полученного методом ЭЛАТ. Посредством оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии изучена микроструктура 3D-напечатанного сплава Ti–6Al–4V в исходном состоянии и после КВД. Проведен EBSD-анализ материала в исходном состоянии. Измерена микротвердость материала в исходном и деформированном состояниях. С использованием зависимости предела текучести от микротвердости определена предположительная механическая прочность материала после обработки методом КВД. Обсуждаются микроструктурные особенности 3D-напечатанного сплава Ti–6Al–4V после КВД, за счет которых обеспечивается повышенная прочность данного материала. Результаты исследований демонстрируют, что 3D-печать методом ЭЛАТ позволяет получить титановый сплав Ti–6Al–4V с необычной для данного материала микроструктурой, которая состоит из столбчатых первичных β-зерен с поперечным размером 1–2 мм, внутри которых располагаются мартенситные иглы α'-Ti. Между иглами α'-Ti наблюдаются тонкие прослойки β-Ti толщиной около 200 нм. Дальнейшая деформационная обработка сплава методом КВД позволила сформировать в его объеме ультрамелкозернистую структуру, состоящую предположительно из α-зерен со средним размером (25±10) нм. КВД-обработка 3D-напечатанного сплава позволила достичь довольно высоких значений микротвердости (448±5) НV0,1, что по соотношению HV=2,8–3σт соответствует предположительному пределу текучести, равному примерно 1460 МПа.

Об авторах

Эмиль Ильдарович Усманов

Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: usmanovei@uust.ru
ORCID iD: 0000-0002-1725-4651

инженер НИИ физики перспективных материалов

Россия, 450076, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

Яна Николаевна Савина

Уфимский университет науки и технологий

Email: savina.yana18@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1387-8819

инженер-исследователь НИИ физики перспективных материалов

Россия, 450076, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

Роман Русланович Валиев

Уфимский университет науки и технологий

Email: rovaliev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1584-2385

кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИИ физики перспективных материалов

Россия, 450076, Россия, г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32

Список литературы

  1. Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications. New Jersey: John Wiley & Sons, 2013. 468 p.
  2. Horita Z., Edalati K. Severe Plastic Deformation for Nanostructure Controls // Materials Transactions. 2020. Vol. 61. № 11. P. 2241–2247. doi: 10.2320/matertrans.MT-M2020134.
  3. Valiev R.Z., Straumal B., Langdon T.G. Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties // Annual Review of Materials Research. 2022. Vol. 52. P. 357–382. doi: 10.1146/annurev-matsci-081720-123248.
  4. Valiev R.R., Lomakin I.V., Stotskiy A.G., Modina Yu.M., Shafranov P.G., Gadzhiev F.A. Enhanced strength and ductility of an ultrafine-grained Ti alloy processed by HPT // Defect and Diffusion Forum. 2018. Vol. 385. P. 331–336. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/DDF.385.331' target='_blank'>www.scientific.net/DDF.385.331.
  5. Deng Guanyu, Zhao Xing, Su Lihong, Wei Peitang, Zhang Liang, Zhan Lihua, Chong Yan, Zhu Hongtao, Tsuji Nobuhiro. Effect of high pressure torsion process on the microhardness, microstructure and tribological property of Ti6Al4V alloy // Journal of Materials Science & Technology. 2021. Vol. 94. P. 183–195. doi: 10.1016/j.jmst.2021.03.044.
  6. Shahmir H., Naghdi F., Pereira P.H.R., Yi Huang, Langdon T.G. Factors influencing superplasticity in the Ti-6Al-4V alloy processed by high-pressure torsion // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 718. P. 198–206. doi: 10.1016/j.msea.2018.01.091.
  7. Shahmir H., Langdon T.G. Using heat treatments, high-pressure torsion and post-deformation annealing to optimize the properties of Ti-6Al-4V alloys // Acta Materialia. 2017. Vol. 141. P. 419–426. doi: 10.1016/j.actamat.2017.09.018.
  8. Sergueeva A.V., Stolyarov V.V., Valiev R.Z., Mukherjee A.K. Superplastic behaviour of ultrafine-grained Ti–6A1–4V alloys // Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 323. № 1-2. P. 318–325. doi: 10.1016/S0921-5093(01)01384-3.
  9. Pan Wang, Xipeng Tan, Mui Ling Sharon Nai, Shu Beng Tor, Jun Wei. Spatial and geometrical-based characterization of microstructure and microhardness for an electron beam melted Ti-6Al-4V component // Materials & Design. 2016. Vol. 95. P. 287–295. doi: 10.1016/j.matdes.2016.01.093.
  10. Shunyu Liu, Yung C. Shin. Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: a review // Materials & Design. 2019. Vol. 164. Article number 107552. doi: 10.1016/j.matdes.2018.107552.
  11. Džugan J., Novy Z. Powder Application in Additive Manufacturing of Metallic Parts // Powder Metallurgy – Fundamentals and Case Studies. 2017. Article number 8. doi: 10.5772/66874.
  12. Panin A., Kazachenok M., Perevalova O., Martynov S., Panina A., Sklyarova E. Continuous electron beam post-treatment of EBF3-fabricated Ti–6Al–4V parts // Metals. 2019. Vol. 9. № 6. Article number 699. doi: 10.3390/met9060699.
  13. Panin A.V., Kazachenok M.S., Dmitriev A.I., Nikonov A.Y., Perevalova O.B., Kazantseva L.A., Sinyakova E.A., Martynov S.A. The effect of ultrasonic impact treatment on deformation and fracture of electron beam additive manufactured Ti-6Al-4V under uniaxial tension // Materials Science and Engineering: A. 2022. Vol. 832. Article number 142458. doi: 10.1016/j.msea.2021.142458.
  14. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. 2018. Vol. 62. P. 267–275. doi: 10.1007/s40194-017-0537-7.
  15. Hayes B.J., Martin B.W., Welk B. et al. Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition // Acta Materialia. 2017. Vol. 133. P. 120–133. doi: 10.1016/j.actamat.2017.05.025.
  16. Panin A.V., Kazachenok M.S., Panin S.V., Berto F. Scale Levels of Quasi-Static and Dynamic Fracture Behavior of Ti-6Al-4V Parts Built by Various Additive Manufacturing Methods // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020. Vol. 110. Article number 102781. doi: 10.1016/j.tafmec.2020.102781.
  17. Trojanová Z., Halmešová K., Drozd Z., Džugan J., Valiev R.Z., Podaný P. The influence of severe plastic deformation on the thermal expansion of additively manufactured Ti6Al4V alloy // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 19. P. 3498–3506. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.06.097.
  18. Mironov S., Sato Y.S., Kokawa H. Friction-stir welding and processing of Ti-6Al-4V titanium alloy: A review // Journal of Materials Science & Technology. 2018. Vol. 34. № 1. P. 58–72. doi: 10.1016/j.jmst.2017.10.018.
  19. Vlasov I.V., Egorushkin V.E., Panin V.E., Panin A.V., Perevalova O.B. Fractography, Fracture Toughness and Structural Turbulence Under Low-Temperature Shock Loading of a Nonequilibrium Titanium Alloy Ti–6Al–4V // Mechanics of Solids. 2020. Vol. 55. № 5. P. 633–642. doi: 10.3103/S0025654420050155.
  20. Syed A.K., Zhang Xiang, Caballero A., Shamir M., Williams S. Influence of deposition strategies on tensile and fatigue properties in a wire + arc additive manufactured Ti-6Al-4V // International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 149. Article number 106268. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106268.
  21. Semenova I.P., Shchitsyn Y.D., Trushnikov D.N., Gareev A.I., Polyakov A.V., Pesin M.V. Microstructural Features and Microhardness of the Ti-6Al-4V Alloy Synthesized by Additive Plasma Wire Deposition Welding // Materials. 2023. Vol. 16. № 3. Article number 941. doi: 10.3390/ma16030941.
  22. Valiev R.Z., Usmanov E.I., Rezyapova L.R. The Superstrength of Nanostructured Metallic Materials: Their Physical Nature and Hardening Mechanisms // Physics of Metals and Metallography. 2022. Vol. 123. P. 1272–1278. doi: 10.1134/S0031918X22601627.
  23. Morris D.G. Strengthening mechanisms in nanocrystalline metals // Nanostructured Metals and Alloys. 2011. P. 299–328. doi: 10.1533/9780857091123.3.299.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Усманов Э.И., Савина Я.Н., Валиев Р.Р., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах