Циклическая долговечность титанового сплава ВТ6, полученного аддитивной технологией холодного переноса металла

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты экспериментального исследования циклической долговечности титанового сплава ВТ6, полученного при аддитивном производстве проволочно-дуговой наплавкой с использованием метода холодного переноса металла. Данная технология аддитивного производства используется для наплавки крупногабаритных изделий в Лаборатории методов создания и проектирования систем “материал-технология-конструкция” ПНИПУ. Качество полученной заготовки подтверждено результатами химического анализа, микроструктурного исследования и результатами статических испытаний при растяжении. Из наплавленной пластины были вырезаны образцы в продольном и поперечном направлениях по отношению к плоскости формирования слоев. Экспериментальные исследования мало- и многоцикловой усталости проводились на базе Центра экспериментальной механики ПНИПУ с использованием испытательного оборудования фирмы Instron. По результатам испытаний получены зависимости циклической долговечности от уровня прикладываемых напряжений. Отмечено, что направление вырезки образцов из наплавленного фрагмента значительно сказывается на характеристиках сопротивления мало- и многоцикловой усталости аддитивного титанового сплава ВТ6. Сделан вывод о наличии значительной анизотропии циклических свойств, которую нужно учитывать при проектировании и производстве изделий из аддитивных материалов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Ильиных

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

А. М. Паньков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

А. В. Лыкова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

Г. Л. Пермяков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

М. Ю. Симонов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

Д. Н. Трушников

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: ilinih@yandex.ru
Россия, Пермь

Список литературы

  1. Zhao B., Wang H., Qiao N., Wang C., Hu M. Corrosion resistance characteristics of a Ti-6Al-4V alloy scaffold that is fabricated by electron beam melting and selective laser melting for implantation in vivo // Mater. Sci. Eng. C. 2017. V. 70. P. 832–841. https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.07.045
  2. Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M., Pitot J., Lopez E. et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review // Mater. Des. 2021. V. 209. 110008. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110008
  3. Gorelik M. Additive manufacturing in the context of structural integrity // Int. J. Fatigue. 2017. V. 94. Part 2. P.168–177. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2016.07.005
  4. Manzhirov A.V., Parshi, D.A. Influence of the erection regime on the stress state of a viscoelastic arched structure erected by an additive technology under the force of gravity // Mech. Solids. 2015. V. 50. P. 657–675. https://doi.org/10.3103/S0025654415060072
  5. Manzhirov A.V., Parshin D.A. Application of prestressed structural elements in the erection of heavy viscoelastic arched structures with the use of an additive technology // Mech. Solids. 2016. V. 51. P. 692–700. https://doi.org/10.3103/S0025654416060091
  6. Пескова А.В., Сухов Д.И., Мазалов П.Б. Исследование формирования структуры материала титанового сплава ВТ6, полученного методами аддитивных технологий // Авиац. материалы и технологии. 2020. № 1. С. 38–44. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2020-0-1-38-44
  7. Butt, M.M., Laieghi, H., Kvvssn, V. et al. Fatigue performance in additively manufactured metal alloys // Prog. Addit. Manuf. 2024. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00738-2
  8. Черемнов А.М., Гурьянов Д.А., Чумаевский А.В., Кобзев А.Е., Рубцов В.Е. Закономерности образования дефектов и неоднородностей структуры при фрикционной перемешивающей обработке изделий из титанового сплава, полученных методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии // Вестник СибГИУ. 2024. № 1. С. 58–68. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-1(47)-58-6
  9. Акулова С.Н., Мышкина А.В., Варушкин С.В., Неулыбин С.Д., Кривоносова Е.А., Щицын Ю.Д., Ольшанская Т.В. О влиянии схем плазменной наплавки на формирование структуры и свойств титанового сплава // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2021. Т. 23. № 3. С. 75–83. https://doi.org/10.15593/2224-9877/2021.3.09
  10. Баяндин Ю.В., Дудин Д.С., Ильиных А.В., Пермяков Г.Л., Чудинов В.В., Келлер И.Э., Трушников Д.Н. Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций // Вестник ПНИПУ. Механика. 2023. № 1. С. 33–45. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.1.04
  11. Панин П.В., Лукина Е.А., Наприенко С.А., Алексеев Е.Б. Влияние термической обработки на структуру и свойства TiAl-сплава системы Ti-Al-V-Nb-Cr-Gd, синтезированного методом селективного электронно-лучевого сплавления // Физ. мезомех. 2023. Т. 26. № 6. С. 61–74. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2023_26_6_61
  12. Liu H., Yu H., Guo C., Chen X., Zhong S., Zhou L., Osman A., Lu J. Review on fatigue of additive manufactured metallic alloys: microstructure, performance, enhancement, and assessment methods // Adv. Mater. 2023. V. 36. № 17. 2306570. https://doi.org/10.1002/adma.202306570
  13. Волков И.А., Коротких Ю.Г. Моделирование процессов усталостной долговечности материалов и конструкций при малоцикловом нагружении // Изв. РАН. МТТ. 2014. № 3. С. 66–78.
  14. Zhang, P., He, A.N., Liu, F., Zhang, K., Jiang, J., Zhang, D.Z. Evaluation of low cycle fatigue performance of selective laser melted titanium alloy Ti–6Al–4V // Metals. 2019. V. 9. № 10. 1041. https://doi.org/10.3390/met9101041
  15. Bressan, S., Ogawa, F., Itoh, T., Berto, F. Low cycle fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V under non-proportional and proportional loading // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019. V. 13. № 48. P. 18–25. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.48.03
  16. Fatemi A., Molaei R., Sharifimehr S., Shamsaei N., Phan N. Torsional fatigue behavior of wrought and additive manufactured Ti-6Al-4V by powder bed fusion including surface finish effect // Int. J. Fatigue. 2017. V. 99. P. 187–201. https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.03.002
  17. Cao F., Zhang T., Ryder M.A. et al. A review of the fatigue properties of additively manufactured Ti-6Al-4V // JOM. 2018. V. 70. P. 349–357. https://doi.org/10.1007/s11837-017-2728-5
  18. Hassanifard S., Adibeig M.R., Hashemi S.M. Determining strain-based fatigue parameters of additively manufactured Ti–6Al–4V: effects of process parameters and loading conditions // Int J Adv Manuf Technol. 2022. V. 121. P. 8051–8063. https://doi.org/10.1007/s00170-022-09907-5
  19. Rehmer B., Bayram F., Ávila Calderón L.A. et al. Elastic modulus data for additively and conventionally manufactured variants of Ti-6Al-4V, IN718 and AISI 316 L // Sci. Data. 2023. V. 10. 474. https://doi.org/10.1038/s41597-023-02387-6
  20. Qian M., Xu W., Brandt M. et al. Additive manufacturing and postprocessing of Ti-6Al-4V for superior mechanical properties // MRS Bulletin. 2016. V. 41. P. 775–784. https://doi.org/10.1557/mrs.2016.215
  21. Колубаев Е.А., Рубцов В.Е., Чумаевский А.В., Астафурова Е.Г. Научные подходы к микро-, мезо- и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства // Физ. мезомех. 2022. Т. 25. № 4. С. 5–18. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_4_5
  22. Gou J., Wang Z., Hu S., Shen J., Liu Z, Yang C. et al. Effect of cold metal transfer mode on the microstructure and machinability of Ti–6Al–4V alloy fabricated by wire and arc additive manufacturing in ultra-precision machining // J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 21. P. 1581–1594. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.10.011
  23. Mohd Mansor M.S., Raja S., Yusof F., Muhamad M.R., Manurung Y.H., Adenan M.S. et al. Integrated approach to wire arc additive manufacturing (WAAM) optimization: Harnessing the synergy of process parameters and deposition strategies // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 30. P. 2478–2499. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.170
  24. Xizhang Chen, Su, C., Wang, Y. et al. Cold Metal Transfer (CMT) Based Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) System // J. Surf. Investig. 2018. V. 12. P. 1278–1284. https://doi.org/10.1134/S102745101901004X
  25. Shchitsyn Y.D., Krivonosova E.A., Trushnikov D.N., Olshanskaya T.V., Kartashov M.F., Kartashov M.F., Neulybin S.D. Use of CMT-Surfacing for Additive Formation of Titanium Alloy Workpieces // Metallurg. 2020. V. 64. № 1–2. P. 67–74. https://doi.org/10.1007/s11015-020-00967-0
  26. Shchitsyn Y., Kartashev M., Krivonosova E., Olshanskaya T., Trushnikov D. Formation of structure and properties of two-phase Ti6Al-4V alloy during cold metal transfer additive deposition with interpass forging // Materials. 2021. V. 14. № 16. 4415. https://doi.org/10.3390/ma14164415
  27. Trushnikov D.N., Kartashev M.F., Olshanskaya T.V., Mindibaev M.R., Shchitsyn Y.D., Saucedo-Zendejo F.R. Improving VT6 titanium-alloy components produced by multilayer surfacing // Russ. Eng. Res. 2021. V. 41. P. 848–850. https://doi.org/10.3103/S1068798X21090264
  28. Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Eliseev A.A., Osipovich K.S., Kalashnikov K.N., Savchenko N.L. et al. Structure and phase composition of Ti–6Al–4V alloy obtained by electron-beam additive manufacturing / // Russ. Phys. 2019. V. 62. № 8. P. 1461–1468. https://doi.org/10.1007/s11182-019-01864-z
  29. Ходинев И.А., Горбовец М.А., Монин С.А., Рыжков П.В. Исследование характеристик малоцикловой усталости жаропрочного деформируемого сплава ВЖ175 // Труды ВИАМ. 2022. № 1. С. 97–110. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2022-0-1-97-110
  30. Ильиных А.В., Паньков А.М., Лыкова А.В., Пермяков Г.Л. Экспериментальное исследование циклической долговечности аддитивного титанового сплава ВТ6 в условиях концентрации напряжений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2023. № 75. С. 120–132. https://doi.org/10.15593/2224- 9982/2023.75.10

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема использования технологического оборудования для аддитивного производства методом проволочно-дуговой наплавки: 1 – cварочная горелка (welding torch); 2 – защитное устройства (protective device); 3 – область наплавки (deposition zone); 4 – свариваемый металл (weld metal); 5 – подложка (substrate); 6 – манипулятор X,Y (manipulator X,Y); 7 – манипулятор Z (manipulator Z); 8 – пункт управления (control station); 9 – источник питания (power supply); 10 – устройство подачи проволоки (wire feeder); 11 – аргон (argon).

Скачать (210KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фотография наплавленной заготовки из титанового сплава ВТ6.

Скачать (474KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Панорама поверхности образца после травления.

Скачать (429KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фотографии микроструктуры центральной (a, в) и периферийной (б, г) частей образцов в поперечном (a, б) и продольном (в, г) направлениях.

Скачать (482KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схема вырезки из наплавленной пластины (a) и размеры (б) образцов для циклических испытаний. Рис. 5. Схема вырезки из наплавленной пластины (a) и размеры (б) образцов для циклических испытаний.

Скачать (109KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кривые усталости аддитивного титанового сплава ВТ6 для образцов, вырезанных из заготовки в вертикальном ( ) и горизонтальном (○) направлениях.

Скачать (223KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости нормальных напряжений σ от осевых деформаций ε, построенные для средних циклов из 4-х выбранных диапазонов долговечности для образцов, вырезанных из заготовки в вертикальном (штриховая линия, нижняя шкала у оси деформаций) и горизонтальном (сплошная линия, верхняя шкала у оси деформаций) направлениях.

Скачать (392KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025