Автоматичне зварювання, 2025, №05

2025 №05 (04)

DOI of Article 10.37434/as2025.05.05

2025 №05 (06)

---

Журнал «Автоматичне зварювання», № 5, 2025, с. 48-55

Отримання функціонально-градієнтних металоматричних матеріалів «Ti–6Al–4V + WC» методом адитивного плазмово-дугового наплавлення

В.М. Коржик¹, А.А. Гринюк², О.А. Бабич², О.М. Берднікова¹, Є.В. Ілляшенко¹, О.І. Бушма¹

¹ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул Казимира Малевича, 11. E-mail: omberdnikova@gmail.com
²Чжецзянський науково-дослідний інститут зварювальних технологій, КНР.

Експериментально підтверджена можливість 3D друку методом адитивного плазмово-дугового наплавлення об’ємних виробів із композиційних функціонально-градієнтних металоматричних матеріалів, в яких матрицею є титановий сплав Ti–6Al–4V, а армуючою фазою – карбід вольфраму. Технологія адитивного плазмово-дугового наплавлення з одночасним подаванням у плазмову дугу порошку або присаджувального дроту титанового сплаву Ti6Al4V Grade 5 та сферичного порошку WC дозволяє отримувати об’ємні зразки із функціонально-градієнтних металоматричних матеріалів типу «стінка», в яких вміст карбіду вольфраму за їх висотою змінюється від 0 до 50 об. % із відповідною зміною показника твердості від HRC 32 для нижніх (глибинних) шарів і до HRC 56…66 і вище в напрямку до поверхневих шарів. Шляхом вибору режимів плазмового напилення та погонної енергії можна змінювати твердість, мікроструктуру та мікротвердість матриці матеріалу наплавлених шарів, у тому числі ступінь розплавлення частинок сферичного порошку WC, а саме – зберігати їх сферичну форму із мікротвердістю HV0,1 = 2172…3796 або досягати їх часткового та повного розплавлення. У випадку збереження сферичної форми частинок WC, які знаходяться в матриці із титанового сплаву Ti–6Al–4V, характерною є наявність металургійного зв’язку їх із цією матрицею. Встановлено, що границя міцності отриманих матеріалів для випадку адитивного наплавлення присадним дротом Ti–6Al–4V з добавкою порошку WC до 50 об. %, досягає показника σв = 666,8 МПа, що відповідає 75 % границі міцності ідентичного за хімічним складом сплаву Ti6Al4V Grade 5 (лист відпалений), який виступає в якості матриці досліджуваного композиційного матеріалу. Значення ударної в’язкості зразків з’єднань типу «стінка» з наплавленими шарами композиційного матеріалу «сплав Ti6Al4V Grade 5 + порошок WC» досягає до 70...80 % рівня цього показника листового титанового сплаву Ti–6Al–4V Grade 5. Бібліогр. 36, табл. 2, рис. 8.
Ключові слова: 3D друк, адитивне плазмово-дугове наплавлення, титанові сплави, карбід вольфраму, функціонально-градієнтні матеріали, структура, механічні властивості


Надійшла до редакції 12.05.2025
Отримано у переглянутому вигляді 27.08.2025
Прийнято 30.09.2025

Список літератури

1. Zafar, F., Emadinia, O., Conceição, J. et al. (2023) A review on direct laser deposition of Inconel 625 and Inconel 625-based composites. Challenges and Prospects. Metals., 13, 787. DOI: https://doi.org/10.3390/met13040787
2. Preis, J., Wang, Z., Howard, J. et al. (2024) Effect of laser power and deposition sequence on microstructure of GRCop42 – Inconel 625 joints fabricated using laser directed energy deposition. Materials and Design, 241, 112944. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112944
3. Zhukov, V., Grigorenko, G., Shapovalov V. (2016) Additive manufacturing of metal components (Review). The Paton Welding J., 5–6, 137–142. DOI: https:/doi.org/10.15407/tpwj2016.06.24
4. Su, G., Shi, Y. Li, G. et al. (2023) Improving the deposition efficiency and mechanical properties of additive manufactured Inconel 625 through hot wire laser metal deposition. J. of Materials Processing Technology, 322, 118175. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118175
5. Danielewski, H., Radek, N., Orman, L. et al. (2023) Laser metal deposition of Inconel 625 alloy – comparison of powder and filler wire methods. Materials Research Proceedings, 34, 154–160. DOI: https://doi.org/10.21741/9781644902691-19
6. Gu, Y., Xu, Y., Shi, Y. et al. (2022) Corrosion resistance of 316 stainless steel in a simulated pressurized water reactor improved by laser cladding with chromium. Surface and Coatings Technology, 441, 128534. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128534
7. Ahn, D. (2021) Directed energy deposition (DED) Process: State of the art. Int. J. of Precis. Eng. and Manuf.-Green Tech., 8, 703–742. DOI: https://doi.org/10.1007/s40684-020-00302-7
8. Svetlizky, D., Das, M., Zheng, B. et al. (2021) Directed energy deposition (DED) additive manufacturing: Physical characteristics, defects, challenges and applications. Materials Today, 49, 271–295. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.020
9. King, W., Anderson, A., Ferencz, R. et al. (2015) Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges. Applied Physics Reviews, 2, 041304. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4937809
10. Hassila C., Paschalidou, M., Harlin, P. et al. (2022) Potential of nitrogen atomized alloy 625 in the powder bed fusion laser beam process. Materials and Design, 221, 110928. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110928
11. Rehman, A., Karakas, B., Mahmood, M. et al. (2023) Additive manufacturing of Inconel-625: from powder production to bulk samples printing. Rapid Prototyping J., 9(23), 1788–1799. DOI: https://doi.org/10.1108/RPJ-11-2022-0373
12. Chen, G., Zhao S., Tan P. et al. (2018) A comparative study of Ti-6Al-4V powders for additive manufacturing by gas atomization, plasma rotating electrode process and plasma atomization. Powder Technology, 333, 38–46. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.04.013
13. Yurtukan, E., Unal, R. (2022) Theoretical and experimental investigation of Ti alloy powder production using low-power plasma torches. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 32, 175–191. DOI: https://doi.org/10.1016/S1003-6326(21)65786-2
14. Prokopov, V., Fialko, N., Sherenkovskaya, G. et al. (1993) Effect of the coating porosity on the processes of heat transfer under, gas-thermal atomization. Powder Metall. Met. Ceram., 32, 118–121. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00560034
15. Yin, Z., Yu, D., Zhang, Q. et al. (2021) Experimental and numerical analysis of a reverse-polarity plasma torch for plasma atomization. Plasma Chem Plasma Process., 41, 1471–1495. DOI: https://doi.org/10.1007/s11090-021-10181-8
16. Bobzin, K., Ernst, F., Richardt, K. et al. (2008) Thermal spraying of cylinder bores with the plasma transferred wire arc process. Surface and Coatings Technology, 202(18), 4438–4443. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.04.023
17. Fan, H., Kovacevic, R. (2004) A unified model of transport phenomena in gas metal arc welding including electrode, arc plasma and molten pool. J. Phys. D: Appl. Phys., 37, 2531–2544. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/18/009
18. Sun, P., Fang, Z., Zhang, Y., Xia, Y. (2017) Review of the methods for the production of spherical Ti and Ti alloy powder. JOM, 69, 1853–1860. DOI: https://doi.org/10.1007/s11837-017-2513-5
19. Korzhyk, V., Khaskin, V., Grynyuk, A. et al. (2021) Comparing features in metallurgical interaction when applying different techniques of arc and plasma surfacing of steel wire on titanium. Eastern-European J. of Enterprise Technologies, 12(112), 6–17. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238634
20. Korzhyk, V.M., Grynyuk, А.А., Khaskin, V.Yu. et al. (2023) Plasma-arc technologies of additive surfacing (3D printing) of spatial metal products: application experience and new opportunities. The Paton Welding J., 11, 3–20. DOI: https://doi.org/10.37434/tpwj2023.11.01
21. Korzhik, V. (1992) Theoretical analysis of the conditions required for rendering metallic alloys amorphous during gas-thermal spraying. III. Transformations in the amorphous layer during the growth process of the coating. Powder Metall. Met. Ceram., 31(11), 943‒948. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00797621
22. Fialko, N., Prokopov, V., Meranova, N. et al. (1993) Thermal physics of gas thermal coatings formation processes. State of investigations. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov, 4, 83–93 [in Russian].
23. Fialko, N., Prokopov, V., Meranova, N. et al. (1994) Temperature conditions of particle-substrate systems in a gas thermal deposition process. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov, 2, 59–67 [in Russian].
24. Jing, H., Yu, Shi, Gang, Zh. et al. (2022) Minimizing defects and controlling the morphology of laser welded aluminum alloys using power modulation-based laser beam oscillation. J. Manufacturing Processes, 83, 49‒59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.08.031
25. Fialko, N., Dinzhos, R., Sherenkovskii, J. (2021) Establishing patterns in the effect of temperature regime when manufacturing nanocomposites on their heat-conducting properties. Eastern-European J. of Enterprise Technologies, 4(5(112)), 21–26. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.236915
26. Li, X., Cui, L., Shonkwiler, S. et al. (2023) Automatic characterization of spherical metal powders by microscope image analysis: a parallel computing approach. J. Iron Steel Res., 30, 2293–2300. DOI: https://doi.org/10.1007/s42243-022-00907-z
27. Appa Rao, G., Srinivas, M., Sarma, D. (2006) Effect of oxygen content of powder on microstructure and mechanical properties of hot isotatically pressed superalloy Inconel 718. Materials Science and Engineering A., 435(3), 84–99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.07.053
28. Liu, Y., Zhang, S., Zhang, L. et al. (2024) Effects of oxygen content on microstructure and creep property of powder metallurgy superalloy. Crystals, 14(4), 358. DOI: https://doi. org/10.3390/cryst14040358
29. Kvasnytskyi, V., Korzhyk, V., Kvasnytskyi, V. et al. (2020) Designing brazing filler metal for heat-resistant alloys based on NI3AL intermetallide. Eastern-European J. of Enterprise Technologies, 6(12(108)), 6–19. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217819
30. Skorokhod, A., Sviridova, I., Korzhik, V. (1994) Structural and mechanical properties of polyethylene terephthalate coatings as affected by mechanical pretreatment of powder in the course of preparation. Mekhanika Kompozitnykh Materialov, 30(4), 455–463 [in Russian].
31. Gu, Y., Zhang, W., Xu, Y. et al. (2022) Stress-assisted corrosion behaviour of Hastelloy N in FLiNaK molten salt environment. Npj Mater. Degrad., 6, 90. DOI: https://doi.org/10.1038/s41529-022-00300-x
32. Yongxian Huang (2024) Strength-ductility materials by engineering coherent interface at incoherent precipitates. Materials Horizons, 11(14), 3408–3419. DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3436553/v1
33. Ren, X.P., Li, H.Q., Guo, H. et al. (2021) A comparative study on mechanical properties of Ti–6Al–4V alloy processed by additive manufacturing vs. traditional processing. Materials Science and Engineering: A, 817, 141384. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141384
34. Mulay, R.P., Moore, J.A., Florando, J.N. et al. (2016) Microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V: mill-annealed versus direct metal laser melted alloys. Materials Science and Engineering, 666, 43–47. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.04.012
35. Gargi Roya, Raj Narayan Hajraa, Woo Hyeok Kima et al. (2024) Microstructural evolution and mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy through selective laser melting: comprehensive study on the effect of hot isostatic pressing (HIP). J. of Powder Materials, 31(1), 1–7. DOI: https://doi.org/10.4150/KPMI.2024.31.1.1
36. Gupta, R.K., Anil Kumar, V., Mathew, С., Sudarshan Rao, G. (2016) Strain hardening of titanium alloy Ti6Al4V sheets with prior heat treatment and cold working. Materials Science and Engineering, 662, 537–550. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.03.094

---

Реклама в цьому номері:

---