Assessment of the Heat Parameters Influence on the Process of Electron-Beam Printing of Titanium Alloy Ti64

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. At present, mainly conventional manufacturing methods, including isothermal forging/forming of hemispheres from titanium alloy workpieces with subsequent welding, are used to create essential components made of titanium alloys, such as high-pressure balloons for rocket engines. These methods are mainly complex multi-stage processes, and therefore the production of titanium balloons can take a very long time and entail high material costs. The technology of wire-feed electron-beam additive manufacturing considered in this work has become proven in the worldwide scientific and industrial community as a technology that allows increasing the productivity of the manufacturing process of various metal components, as well as reducing material costs by minimizing mechanical treatments. However, despite a large number of advantages of this method, technological features of the process, including geometrical parameters of the printed part, such as shape and height of the structure, the angle of the wall inclination from the printing plane, and others, have a significant impact on the formed structure. This is due to the fact that the heat process parameters for different configurations of the printed product will have a different impact on the formation of the structure. In this regard, the purpose of the work is to analyze the influence of heat parameters on the process of printing products from titanium alloy Ti64 using the electron-beam additive manufacturing method to identify regularities of structure formation and material properties at different process parameters. Results and discussion. The conducted researches have shown, that at various combinations of electron-beam 3D-printing process parameters, there is an insignificant change of macrostructure of the obtained Ti64 samples. However, due to different heat inputs and solidification rates, there are differences in microstructure and, therefore, in mechanical properties. The values of ultimate tensile strength and yield strength for obtained samples vary from 851 MPa and 796 MPa to 676 MPa and 574 MPa, respectively.

About the authors

K. N. Kalashnikov

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

D. A. Gurianov

Email: desa-93@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, desa-93@mail.ru

A. P. Zykova

Email: zykovaap@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, zykovaap@mail.ru

S. V. Fortuna

Email: s_fortuna@mail.ru
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, s_fortuna@mail.ru

References

  1. Additive manufacturing (3D printing): a review of materials, methods, applications and challenges / T.D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K.T.Q. Nguyen, D. Hui // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 143. – P. 172–196. – doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.
  2. Additive manufacturing of metallic components – process, structure and properties / T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. De, W. Zhang // Progress in Materials Science. – 2018. – Vol. 92. – P. 112–224. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2017.10.001.
  3. Scientific, technological and economic issues in metal printing and their solutions / T. DebRoy, T. Mukherjee, J.O. Milewski, J.W. Elmer, B. Ribic, J.J. Blecher, W. Zhang // Nature Materials. – 2019. – Vol. 18, iss. 10. – P. 1026–1032. – doi: 10.1038/s41563-019-0408-2.
  4. Additive manufacturing for aerospace flight applications / A.A. Shapiro, J.P. Borgonia, Q.N. Chen, R.P. Dillon, B. McEnerney, R. Polit-Casillas, L. Soloway // Journal of Spacecraft and Rockets. – 2016. – Vol. 53, iss. 5. – P. 952–959. – doi: 10.2514/1.A33544.
  5. Structural heredity of the aluminum alloy obtained by the additive method and modified under severe thermomechanical action on its final structure and properties / T.A. Kalashnikova, A.V. Chumaevskii, V.E. Rubtsov, K.N. Kalashnikov, E.A. Kolubaev, A.A. Eliseev // Russian Physics Journal. – 2020. – Vol. 62, iss. 9. – P. 1565–1572. – doi: 10.1007/s11182-020-01877-z.
  6. Mower T.M., Long M.J. Mechanical behavior of additive manufactured, powder-bed laser-fused materials // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 651. – P. 198–213. – doi: 10.1016/j.msea.2015.10.068.
  7. Processing of Al-Sc aluminum alloy using SLM technology / D. Koutny, D. Skulina, L. Pantelejev, D. Paloušek, B. Lenczowski, F. Palm, A. Nick // Procedia CIRP. – 2018. – Vol. 74. – P. 44–48. – doi: 10.1016/j.procir.2018.08.027.
  8. Cordova L., Campos M., Tinga T. Revealing the effects of powder reuse for selective laser melting by powder characterization // JOM. – 2019. – Vol. 71, iss. 3. – P. 1062–1072. – doi: 10.1007/s11837-018-3305-2.
  9. Microstructural evolution and chemical corrosion of electron beam wire-feed additively manufactured AISI 304 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, N.N. Shamarin, S.V. Fortuna, G.G. Maier, E.A. Kolubaev // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 803. – P. 364–370. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.246.
  10. The features of structure formation in chromium-nickel steel manufactured by a wire-feed electron beam additive process / A.V. Kolubaev, S.Y. Tarasov, A.V. Filippov, Y.A. Denisova, E.A. Kolubaev, A.I. Potekaev // Russian Physics Journal. – 2018. – Vol. 61, iss. 8. – P. 1491–1498. – doi: 10.1007/s11182-018-1561-9.
  11. Basak A., Das S. Microstructure of nickel-base superalloy MAR-M247 additively manufactured through scanning laser epitaxy (SLE) // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 705. – P. 806–816. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.02.013.
  12. Ramakrishnan A., Dinda G.P. Direct laser metal deposition of Inconel 738 // Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Vol. 740–741. – P. 1–13. – doi: 10.1016/j.msea.2018.10.020.
  13. Brandl E., Schoberth A., Leyens C. Morphology, microstructure, and hardness of titanium (Ti-6Al-4V) blocks deposited by wire-feed additive layer manufacturing (ALM) // Materials Science & Engineering: A. – 2012. – Vol. 532 (Complete). – P. 295–307. – doi: 10.1016/j.msea.2011.10.095.
  14. Thermal and microstructural analysis of laser-based directed energy deposition for Ti-6Al-4V and Inconel 625 deposits / F. Lia, J.Z. Park, J.S. Keist, S. Joshi, R.P. Martukanitz // Materials Science and Engineering: A. – 2018. – Vol. 717. – P. 1–10. – doi: 10.1016/j.msea.2018.01.060.
  15. Gockel J., Beuth J., Taminger K. Integrated control of solidification microstructure and melt pool dimensions in electron beam wire feed additive manufacturing of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. – 2014. – Vol. 1–4. – P. 119–126. – doi: 10.1016/j.addma.2014.09.004.
  16. Influence of successive thermal cycling on microstructure evolution of EBM-manufactured alloy 718 in track-by-track and layer-by-layer design / P. Karimi, E. Sadeghi, P. Åkerfeldt, J. Ålgårdh, J. Andersson // Materials & Design. – 2018. – Vol. 160. – P. 427–441. – doi: 10.1016/j.matdes.2018.09.038.
  17. Mechanical behavior of differently oriented electron beam melting Ti–6Al–4V components using digital image correlation / E. Arrieta, M. Haque, J. Mireles, C. Stewart, C. Carrasco, R.B. Wicker // Journal of Engineering Materials and Technology. – 2018. – Vol. 141, iss. 1. – doi: 10.1115/1.4040553.
  18. Grain morphology evolution and texture characterization of wire and arc additive manufactured Ti-6Al-4V / J. Wang, X. Lin, J. Wang, H. Yang, Y. Zhou, C. Wang, Q. Li, W. Huang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 768. – P. 97–113. – doi: 10.1016/j.jallcom.2018.07.235.
  19. Predicting tensile properties of Ti-6Al-4V produced via directed energy deposition / B.J. Hayes, B.W. Martin, B. Welk, S.J. Kuhr, T.K. Ales, D.A. Brice, I. Ghamarian, A.H. Baker, C.V. Haden, D.G. Harlow, H.L. Fraser, P.C. Collins // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 133. – P. 120–133. – doi: 10.1016/j.actamat.2017.05.025.
  20. The effect of wire feed geometry on electron beam freeform 3D printing of complex-shaped samples from Ti-6Al-4V alloy / K.N. Kalashnikov, V.E. Rubtsov, N.L. Savchenko, T.A. Kalashnikova, K.S. Osipovich, A.A. Eliseev, A.V. Chumaevskii // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 105, iss. 7–8. – P. 3147–3156. – doi: 10.1007/s00170-019-04589-y.

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».