Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development and application of additive manufacturing depends on many factors, including the printing process performance and buy-to-fly ratio. Wire-feed electron-beam additive manufacturing (EBAM) is attracting more and more attention from research teams. Moreover, the use of electron beams is the most effective and competitive for additive manufacturing of parts from alloys possessing high oxidation characteristics, e.g., titanium, stainless steels, since selective laser melting occurs in vacuum. Welding titanium wire VT6sv is the most preferable choice due to its availability and a wide range of thickness. This alloy, however, has fewer alloying elements than VT6 (Ti–6Al–4V) alloys. The high performance of wire-feed 3D printing and the VT6sv alloy composition affect the structure, phase composition, and properties of the fabricated alloy. As is known, the elastic modulus and hardness of alloys are important parameters, which can be measured rapidly also using non-destructive testing. The purpose of this work is to study the application of different approaches to measuring the elastic modulus and hardness of products obtained by wire-feed EBAM using the equipment of the Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS. Research methods. The structure of VT6sv titanium alloys fabricated by 3D printing and VT1-0 (Grade 2), VT6 (Ti–6Al–4V) alloys, was investigated by different methods such as metallography, ultrasonic gauging, instrumented indentation technique, macro- and micro-indentation, indentation hardness testing. Results and Discussion. Titanium alloy fabricated from VT6sv titanium wire under different thermal conditions has a typical columnar structure throughout the forging height. The structure formation determines the elastic modulus and hardness at various points of the forging. It is found that the elastic modulus is higher than that of as-delivered Ti–6Al–4V alloys, while the hardness is lower. Micro-indentation shows lower values of the elastic modulus than macro-indentation, which approach to values obtained by ultrasonic gauging and in other works. Different values of the elastic modulus at different points of the 3D printed forging indicate its sensitivity to the structure and phase composition of the material and demonstrate capabilities of measuring techniques used in this work.

About the authors

V. A. Klimenov

Email: klimenov@tpu.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, klimenov@tpu.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.tsc.ru

Z. Han

Email: hanzelizy@gmail.com
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, hanzelizy@gmail.com

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

E. S. Dvilis

Email: dvilis@tpu.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, dvilis@tpu.ru

I. L. Strelkova

Email: strelkova@tpu.ru
Ph.D. (Engineering), National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin ave., Tomsk, 634050, Russian Federation, strelkova@tpu.ru

E. A. Drobyaz

Email: ekaterina.drobyaz@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, ekaterina.drobyaz@yandex.ru

O. B. Yaremenko

Email: oy@opton.ru
Opton Engineering Limited Liability Company Ugreshskaya str., 2, p. 53, Moscow, 115088, Russian Federation, oy@opton.ru

A. E. Kuranov

Email: ak@opton.ru
Opton Engineering Limited Liability Company Ugreshskaya str., 2, p. 53, Moscow, 115088, Russian Federation, ak@opton.ru

References

  1. Niinomi M. Mechanical properties of biomedical titanium alloys // Materials Science and Engineering: A. – 1998. – Vol. 243 (1–2). – P. 231–236. – doi: 10.1016/s0921-5093(97)00806-x.
  2. Milewski J.O. Additive manufacturing of metals: from fundamental technology to rocket nozzles, medical implants, and custom jewelry. – Cham: Springer, 2017. – 343 p. – ISBN 3319863487. – doi: 10.1007/978-3-319-58205-4.
  3. Metallurgy, mechanistic models and machine learning in metal printing / T. DebRoy, T. Mukherjee, H.L. Wei, J.W. Elmer, J.O. Milewski // Nature Reviews Materials. – 2021. – Vol. 6 (1). – P. 48–68. – doi: 10.1038/s41578-020-00236-1.
  4. Metal fabrication by additive manufacturing using laser and electron beam melting technologies / L.E. Murr, S.M. Gaytan, D.A. Ramirez, E. Martinez, J. Hernandez, K.N. Amato, P.W. Shindo, F.R. Medina, R.B. Wicker // Journal of Materials Science and Technology. – 2012. – Vol. 28 (1). – P. 1–14. – doi: 10.1016/S1005-0302(12)60016-4.
  5. Microstructures and mechanical properties of electron beam-rapid manufactured Ti–6Al–4V biomedical prototypes compared to wrought Ti–6Al–4V / L.E. Murr, E.V. Esquivel, S.A. Quinones, S.M. Gaytan, M.I. Lopez, E.Y. Martinez, F. Medina, D.H. Hernandez, E. Martinez, J.L. Martinez, S.W. Stafford, D.K. Brown, T. Hoppe, W. Meyers, U. Lindhe, R.B. Wicker // Materials Characterization. – 2009. – Vol. 60 (2). – P. 96–105. – doi: 10.1016/j.matchar.2008.07.006.
  6. Microstructure and mechanical properties of Ti?6Al?4V produced by electron beam melting of pre?alloyed powder / L. Facchini, E. Magalini, P. Robotti, A. Molinari // Rapid Prototyping Journal. – 2009. – Vol. 15 (3). – P. 171–178. – doi: 10.1108/13552540910960262.
  7. Beam speed effects on Ti–6Al–4V microstructures in electron beam additive manufacturing / X. Gong, J. Lydon, K. Cooper, K. Chou // Journal of Materials Research. – 2014. – Vol. 29 (17). – P. 1951–1959. – doi: 10.1557/jmr.2014.125.
  8. Surface modification of the EBM Ti-6Al-4V alloy by pulsed ion beam / N. Pushilina, E. Stepanova, A. Stepanov, M. Syrtanov // Metals. – 2021. – Vol. 11 (3). – P. 512. – doi: 10.3390/met11030512.
  9. Структурные и механические свойства нержавеющей стали, сформированной в условиях послойного сплавления проволоки электронным лучом / В.В. Фёдоров, А.В. Рыгин, В.А. Клименов, Н.В. Мартюшев, А.А. Клопотов, И.Л. Стрелкова, С.В. Матрёнин, А.В. Батранин, В.Н. Дерюшева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 111–124. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-111-124.
  10. Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V by electron beam rapid manufacturing / H. Suo, Z. Chen, J. Liu, S. Gong, J. Xiao // Rare Metal Materials and Engineering. – 2014. – Vol. 43 (4). – P. 780–785. – doi: 10.1016/s1875-5372(14)60083-7.
  11. ASTM D2845-08. Standard test method for laboratory determination of pulse velocities and ultrasonic elastic constants of rock (Withdrawn 2017). – ASTM International, 2008.
  12. GB/T 38897-2020. Non-destructive testing – Measurement method for material elastic modulus and Poisson’;s ratio using ultrasonic velocity / State Administration for Market Regulation, National Standardization Administration. – China, 2020. – 20 p. – In Chinese.
  13. ГОСТ 25095–82. Сплавы твердые спеченные. Метод определения модуля упругости (модуля Юнга). – М.: Изд-во стандартов, 1982. – 10 с.
  14. ГОСТ Р 57862–2017. Композиты. Определение динамического модуля упругости, модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона методом акустического резонанса. – М.: Стандартинформ, 2017. – 15 с.
  15. ASTM E2546-15. Standard practice for instrumented indentation testing. – ASTM International, 2015.
  16. ISO 14577-1:2015. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method. – ISO, 2015. – 46 p.
  17. ГОСТ Р 8.748–2011. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Ч. 1. Метод испытаний. – М.: Стандартинформ, 2011. – 28 с.
  18. GB/T 21838.1-2019. Metallic materials – Instrumented indentation test for hardness and materials parameters – Part 1: Test method / State Administration for Market Regulation, National Standardization Administration. – China, 2019. – 40 p.
  19. Wu S.-J., Chin P.-C., Liu H. Measurement of elastic properties of brittle materials by ultrasonic and indentation methods // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (10). – P. 2067. – doi: 10.3390/app9102067.
  20. Broitman E. Indentation hardness measurements at macro-, micro-, and nanoscale: A critical overview // Tribology Letters. – 2017. – Vol. 65 (1). – Art. 23. – doi: 10.1007/s11249-016-0805-5.
  21. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. – 3-e изд., перераб. и доп. – М.: МИСИС, 1998. – 400 с.
  22. Young's modulus of nanocrystalline Fe measured by nanoindentation / G.E. Fougere, L. Riester, M. Ferber, J.R. Weertman, R.W. Siegel // Materials Science and Engineering: A. – 1995. – Vol. 204 (1–2). – P. 1–6. – doi: 10.1016/0921-5093(95)09927-1.
  23. Носкова Н.И., Мулюков Р.Р. Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы. – Екатеринбург: УрОРАН, 2003. – 279 с.
  24. Young’;s modulus of titanium alloy VT6S and its structural sensitivity / R.Ya. Lutfullin, E.A. Trofimov, R.M. Kashaev, V.D. Sitdikov, T.R. Lutfullin // Letters on Materials. – 2017. – Vol. 7 (1). – P. 12–16. – doi: 10.22226/2410-3535-2017-1-12-16.
  25. Functional adaptation and ingrowth of bone vary as a function of hip implant stiffness / D.R. Sumner, T.M. Turner, R. Igloria, R.M. Urban, J.O. Galante // Journal of Biomechanics. – 1998. – Vol. 31 (10). – P. 909–917. – doi: 10.1016/S0021-9290(98)00096-7.
  26. Zhang L., Chen L. A review on biomedical titanium alloys: Recent progress and prospect // Advanced Engineering Materials. – 2019. – Vol. 21 (4). – P. 1801215. – doi: 10.1002/adem.201801215.
  27. Wang X., Gong X., Chou K. Scanning speed effect on mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy processed by electron beam additive manufacturing // Procedia Manufacturing. – 2015. – Vol. 1. – P. 287–295. – doi: 10.1016/j.promfg.2015.09.026.
  28. Особенности структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V при формировании изделий с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии / Н.Л. Савченко, А.В. Воронцов, В.Р. Утяганова, А.А. Елисеев, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 60–71. – doi: 10.17212/1994- 6309-2018-20.4-60-71.
  29. Wire-feed electron beam additive manufacturing: A review / K. Osipovich, K. Kalashnikov, A. Chumaevskii, D. Gurianov, T. Kalashnikova, A. Vorontsov, A. Zykova, V. Utyaganova, A. Panfilov, A. Nikolaeva, A. Dobrovolskii, V. Rubtsov, E. Kolubaev // Metals. – 2023. – Vol. 13 (2). – P. 279. – doi: 10.3390/met13020279.
  30. Beam current effect on microstructure and properties of electron-beam-melted Ti-6Al-4V alloy / N.S. Pushilina, V.A. Klimenov, R.O. Cherepanov, E.B. Kashkarov, V.V. Fedorov, M.S. Syrtanov, A.M. Lider, R.S. Laptev // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2019. – Vol. 28 (10). – P. 6165–6173. – doi: 10.1007/s11665-019-04344-0.
  31. Anomalously low modulus of the interpenetrating-phase composite of Fe and Mg obtained by liquid metal dealloying / I.V. Okulov, P.-A. Geslin, I.V. Soldatov, H. Ovri, S.-H. Joo, H. Kato // Scripta Materialia. – 2019. – Vol. 163. – P. 133–136. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2019.01.017.
  32. Определение механических свойств металла кольцевых сварных соединений и основного металла труб методом инструментального индентирования / Т.Н. Белослудцев, А.Ю. Котоломов, С.Ю. Настич, В.А. Лопаткин, А.В. Шипилов, А.Е. Куранов, О.Б. Яременко // Газовая промышленность. – 2021. – Спец. вып. № 3 (823). – P. 26–36.
  33. Яременко О.Б., Куранов А.Е., Васильцов С.Ю. Инструментальное индентирование как неразрушающий метод оценки механических характеристик конструкционных материалов // Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖивКоМ – 2020): 5-я Международная научно-техническая конференция в дистанционном формате, Москва, 27–29 октября 2020 г. – М., 2020. – С. 274–278.
  34. Influence of the coarse grain structure of a titanium alloy Ti-4Al-3V formed by wire-feed electron beam additive manufacturing on strain inhomogeneities and fracture / V. Klimenov, E. Kolubaev, K. Anatoly, A. Chumaevskii, A. Ustinov, I. Strelkova, V. Rubtsov, D. Gurianov, Z. Han, S. Nikonov, A. Batranin, M. Khimich // Materials. – 2023. – Vol. 16 (11). – P. 3901. – doi: 10.3390/ma16113901.
  35. ASTM E494-15. Standard practice for measuring ultrasonic velocity in materials. – ASTM International, 2015.
  36. An instrumented indentation technique for estimating fracture toughness of ductile materials: A critical indentation energy model based on continuum damage mechanics / J.-S. Lee, J. Jang, B.-W. Lee, Y. Choi, S.G. Lee, D. Kwon // Acta Materialia. – 2006. – Vol. 54 (4). – P. 1101–1109. – doi: 10.1016/j.actamat.2005.10.033.
  37. Microstructures and mechanical properties of Ti-6Al-4V parts fabricated by selective laser melting and electron beam melting / H.K. Rafi, N.V. Karthik, H. Gong, T.L. Starr, B.E. Stucker // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22 (12). – P. 3872–3883. – doi: 10.1007/s11665-013-0658-0.
  38. Microstructural control of additively manufactured metallic materials / P.C. Collins, D.A. Brice, P. Samimi, I. Ghamarian, H.L. Fraser // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46 (1). – P. 63–91. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070115-031816.
  39. Liu S., Shin Y.C. Additive manufacturing of Ti-6Al-4V alloy: A review // Materials & Design. – 2019. – Vol. 164. – P. 107552. – doi: 10.1016/j.matdes.2018.107552.
  40. Ho W.F., Ju C.P., Chern Lin J.H. Structure and properties of cast binary Ti–Mo alloys // Biomaterials. – 1999. – Vol. 20 (22). – P. 2115–2122. – doi: 10.1016/S0142-9612(99)00114-3.
  41. Microstructure and compressive behavior of Ti-6Al-4V alloy built by electron beam free-form fabrication / V.A. Klimenov, V.V. Fedorov, M.S. Slobodyan, N.S. Pushilina, I.L. Strelkova, A.A. Klopotov, A.V. Batranin // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2020. – Vol. 29 (11). – P. 7710–7721. – doi: 10.1007/s11665-020-05223-9.
  42. Zardiackas L.D., Mitchell D.W., Disegi J.A. Characterization of Ti-15Mo beta titanium alloy for orthopaedic implant applications // Medical Applications of Titanium and Its Alloys: The Material and Biological Issues. – ASTM, 1996. – P. 60–75. – doi: 10.1520/stp16070s. – (ASTM special technical publication; 1272).
  43. Majumdar P., Singh S.B., Chakraborty M. Elastic modulus of biomedical titanium alloys by nano-indentation and ultrasonic techniques – A comparative study // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 489 (1–2). – P. 419–425. – doi: 10.1016/j.msea.2007.12.029.
  44. Справочник металлиста. В 5 т. Т. 2 / под ред. А.Г. Рахштадта и В.А. Брострема. – Изд. 3-е, перераб. – М.: Машиностроение, 1976. – 720 с.
  45. Simonelli M., Tse Y.Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti–6Al–4V // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 616. – P. 1–11. – doi: 10.1016/j.msea.2014.07.086.
  46. Keist J.S., Palmer T.A. Role of geometry on properties of additively manufactured Ti-6Al-4V structures fabricated using laser based directed energy deposition // Materials & Design. – 2016. – Vol. 106. – P. 482–494. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.05.045.
  47. Shunmugavel M., Polishetty A., Littlefair G. Microstructure and mechanical properties of wrought and additive manufactured Ti-6Al-4V cylindrical bars // Procedia Technology. – 2015. – Vol. 20. – P. 231–236. – doi: 10.1016/j.protcy.2015.07.037.
  48. Vickers hardness of cast commercially pure titanium and Ti-6Al-4V alloy submitted to heat treatments / S.S.d. Rocha, G.L. Adabo, G.E.P. Henriques, M.A.d.A. Nóbilo // Brazilian Dental Journal. – 2006. – Vol. 17 (2). – P. 126–129. – doi: 10.1590/s0103-64402006000200008.
  49. Additive manufactured Ti-6Al-4V using welding wire: Comparison of laser and arc beam deposition and evaluation with respect to aerospace material specifications / E. Brandl, B. Baufeld, C. Leyens, R. Gault // Physics Procedia. – 2010. – Vol. 5. – P. 595–606. – doi: 10.1016/j.phpro.2010.08.087.
  50. Effects of the microstructure and porosity on properties of Ti-6Al-4V ELI alloy fabricated by electron beam melting (EBM) / H. Galarraga, D.A. Lados, R.R. Dehoff, M.M. Kirka, P. Nandwana // Additive Manufacturing. – 2016. – Vol. 10. – P. 47–57. – doi: 10.1016/j.addma.2016.02.003.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».