Features of the Structural-Phase State of the Alloy Ti-6Al-4V in the Formation of Products using Wire-Feed Electron Beam Additive Manufacturing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The high cost of parts made of titanium alloys is determined by the high material consumption during machining, poor machinability caused by low thermal conductivity and high chemical reactivity with cutting tool materials, which is a factor limiting its widespread use. The use of additive technologies makes it possible to reduce production costs of titanium alloy components due to manufacturing of near-net shapes. At the same time, the key requirement in manufacturing the near-net shapes is to maintain high mechanical characteristics both of the base material and the component as a whole. Wire-feed electron beam additive manufacturing has a high potential, both in terms of high productivity and obtaining materials with a unique structure and high mechanical properties. Goal of this research is to study the structure, phase composition and microhardness of Ti-6Al-4V alloy samples obtained using wire-feed electron beam additive manufacturing. Results and discussion. Based on the data of optical, scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis, Ti-6Al-4V samples obtained after layer-by-layer formation have a heterogeneous microstructure which is composed of the system of orthogonal plates of the martensitic α'-phase, in addition to the columnar preceded β-grains with the mean size of < 1.5 mm formed during epitaxial growth. At the same time, both thickness of the α'-phase plates and amount of the residual β-phase are decreases in the direction at the top of the formed sample (from 4 μm and 10 vol. % for the lower layer, up to 2 μm and 5 vol. % for the upper layer). The effect of increasing the Vickers hardness with the increase in the height of the formed layers to values of the order of 3.5 GPa is found. A good agreement with the Hall-Petch ratio shows that the effect of increasing hardness in the direction of layer-by-layer formation is mainly due to a gradient microstructure formed during complex thermal history.

About the authors

N. L. Savchenko

Email: savnick@ispms.tsc.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, savnick@ispms.tsc.ru

A. V. Vorontsov

Email: vav@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, vav@ispms.tsc.ru

V. R. Utyaganova

Email: filaret_2012@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, filaret_2012@mail.ru

A. A. Eliseev

Email: alan@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, alan@ispms.ru

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.tsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, rvy@ispms.tsc.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, eak@ispms.tsc.ru

References

  1. Banerjee D., Williams J.C. Perspectives on titanium science and technology // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 3. – P. 844–879. – doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2012.10.043.
  2. Singh S., Ramakrishna S., Singh R. Material issues in additive manufacturing: a review // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 25. – P. 185–200. – doi: 10.1016/j.jmapro.2016.11.006.
  3. Conrad H. Effect of interstitial solutes on the strength and ductility of titanium // Progress in Materials Science. – 1981. – Vol. 26, iss. 2–4. – P. 123–403. – doi: 10.1016/0079-6425(81)90001-3.
  4. Fuchs J., Schneider C., Enzinger N. Wire-based additive manufacturing using an electron beam as heat source // Welding in the World. – 2018. – Vol. 62, iss. 2. – P. 267–275. – doi: 10.1007/s40194-017-0537-7.
  5. 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.
  6. The origin of microstructural diversity, texture, and mechanical properties in electron beam melted Ti-6Al-4V / S.S. Al-Bermani, M.L. Blackmore, W. Zhang, I. Todd // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2010. – Vol. 41, iss. 13. – P. 3422–3434. – doi: 10.1007/s11661-010-0397-x.
  7. Microstructure evolution during surface alloying of ductile iron and austempered ductile iron by electron beam melting / A. Gulzar, J.I. Akhter, M. Ahmad, G. Ali, M. Mahmood, M. Ajmal // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 20. – P. 8527–8532. – doi: 10.1016/J.APSUSC.2009.06.011.
  8. 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, iss. 2. – P. 96–105. – doi: 10.1016/J.MATCHAR.2008.07.006.
  9. Hrabe N., Quinn T. Effects of processing on microstructure and mechanical properties of a titanium alloy (Ti–6Al–4V) fabricated using electron beam melting (EBM), part 1: Distance from build plate and part size // Materials Science and Engineering A. – 2013. – Vol. 573. – P. 264–270. – doi: 10.1016/J.MSEA.2013.02.064.
  10. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and mechanical properties in metal additive manufacturing: a critical review / Y. Kok, X.P. Tan, P. Wang, M.L.S. Nai, N.H. Loh, E. Liu, S.B. Tor // Materials and Design. – 2018. – Vol. 139. – P. 565–586. – doi: 10.1016/j.matdes.2017.11.021.
  11. Basak A., Das S. Epitaxy and microstructure evolution in metal additive manufacturing // Annual Review of Materials Research. – 2016. – Vol. 46. – P. 125–149. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070115-031728.
  12. Karimzadeh F., Ebnonnasir A., Foroughi A. Artificial neural network modeling for evaluating of epitaxial growth of Ti6Al4V weldment // Materials Science and Engineering: A. – 2006. – Vol. 432, iss. 1–2. – P. 184–190. – doi: 10.1016/J.MSEA.2006.05.141.
  13. Stanford N., Bate P.S. Crystallographic variant selection in Ti–6Al–4V // Acta Materialia. – 2004. – Vol. 52, iss. 17. – P. 5215–5224. – doi: 10.1016/J.ACTAMAT.2004.07.034.
  14. Microstructural evolution and mechanical property of Ti-6Al-4V wall deposited by continuous plasma arc additive manufacturing without post heat treatment / J. Lin, Y. Lv, Y. Liu, Z. Sun, K. Wang, Z. Li, Y. Wu, B. Xu // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. – 2017. – Vol. 69. – P. 19–29. – doi: 10.1016/J.JMBBM.2016.12.015.
  15. Roy L. Variation in mechanical behavior due to different build directions of Ti6Al4V fabricated by electron beam: a thesis / The University of Alabama. – Tuscaloosa, 2013. – URL: https://ir.ua.edu/handle/123456789/1891 (accessed: 07.11.2018).
  16. Baufeld B., Brandl E., Biest O. Wire based additive layer manufacturing: comparison of microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V components fabricated by laser-beam deposition and shaped metal deposition // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. – Vol. 211. – P. 1146–1158. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.01.018.
  17. Intra-layer closed-loop control of build plan during directed energy additive manufacturing of Ti–6Al–4V / A.R. Nassar, J.S. Keist, E.W. Reutzel, T.J. Spurgeon // Additive Manufacturing. – 2015. – Vol. 6. – P. 39–52. – doi: 10.1016/j.addma.2015.03.005.
  18. The effects of forced interpass cooling on the material properties of wire arc additively manufactured Ti6Al4V alloy / B. Wu, Z. Pan, D. Ding, D. Cuiuri, H. Li, Z. Fei // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 258. – P. 97–105. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.03.024.
  19. Deformation characteristics of age hardened Ti-6Al-4V / G. Welsch, G. Lütjering, K. Gazioglu, W. Bunk // Metallurgical Transactions A. – 1977. – Vol. 8, iss. 1. – P. 169–177. – doi: 10.1007/BF02677278.
  20. Correlation between tensile strength and hardness of electron beam welded TC4-DT joints / W. Lu, Y. Shi, X. Li, Y. Lei // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2013. – Vol. 22, iss. 6. – P. 1694–1700. – doi: 10.1007/s11665-012-0469-8.

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».