DOI: https://doi.org/10.20535/2521-1943.2018.84.144127

Prediction of structure and mechanical properties of titanium alloy Ti-6Al-4V during layer formation of 3D products by additive technology of electron beam cladding

Oleg Makhnenko, Nikita Ananchenko, Stepan Kandala, Andrey Babenko, Dmitrii Kovalchuk

Abstract


The problem of providing the necessary operational properties of titanium alloy structural elements produced by additive technologies using filler materials, in particular xBeam 3D Metal Printer electron beam welding technology, is considered. An analytical review of the existing data on the dependence of mechanical properties, grain size and microstructure of the titanium alloy Ti-6Al-4V on the cooling rate of the material has been carried out. On the base of mathematical modeling, temperature fields in the process of multilayer formation of a 3D fillet sample from Ti-6Al-4V alloy, residual stress and distortions are determined. Then macro and microstructure, as well as mechanical properties of the sample material are predicted. Comparison with the results of the experimental study of the macrostructure showed satisfactory accuracy of the modeling. The developed approach can be used to predict the macrostructure and mechanical properties of titanium alloy products obtained by additive layer-forming technologies. But there is a need to obtain experimental data for high cooling rates of material in the range of 100-700 degrees/c.

Keywords


titanium alloys; additive technology; cooling rate; microstructure; grain size; mechanical properties; mathematical modeling

References


Ding, D., Pan, Z., Cuiuri, D. and Li, H. (2015), “Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 81 No. 1, pp. 465-481.

Brandl, E. and dr. (2010), “Additive manufactured Ti-6Al-4V using welding wire: comparison of laser and arc beam deposition and evaluation with respect to aerospace material specifications”, Physics Procedia, Vol. 5 Pt. B, pp. 595-606.

Edwards, P. and dr. (2013), “Electron Beam Additive Manufacturing of Titanium Components: Properties and Performance”, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 135, no 6 p. 061016/1-061016/7, DOI: 10.1115/1.4025773

ISO/ASTM 52900 (2017), “Standard Technology for Additive Manufacturing Technologies – General Principles - Terminology”, ASTM book of Standarts, West Conshohocken, PA: ASTM International.

Makhnenko, O., Milenin, A., Velikoivanenko, E., Rozynka, G., Pivtorak, N., Kozlitina, S. and Dzyubak, L. (2017), “Modeling of temperature fields for various types of three-dimensional samples with their layer formation on the electron-beam welding equipment xBeam 3D Metal Printer”, coll. of rep. VIII int. conf. “Beam technology in welding and material processing”, Odessa, Ukraine.

Kovalchuk, D., Melnyk, V. and Melnyk, I. (2017), “New capabilities of additive manufacturing with xBeam 3D Metal Printing technology”, Coll. of works of eight int. conf. “Beam technology in welding and material handling”, Kiev, Ukraine.

Lutjering, G. and Williams, J.C. (2000), Microstructure and properties of materials, Microstructure and mechanical properties of titanium alloys, in Li J.C.M.(ed.), Vol. 2, Moscow, Russia.

Polkin, I. (2006), “Progressive technologies and new processes”, Progressive technologies of light and special alloys, Fizmatlit, Moscow, Russia.

Sieniawski, J., Ziaja, W. and Kubiak, K. (2013), “Microstructure and Mechanical Properties of High Strength Two-Phase Titanium Alloys”, in Sieniawski, J., Titanium alloys, Moscow, Russia, DOI: 10.5772/56197

Patil, S., Kekade, S. and Phapale, K. (2016), “Effect of α and β phase volume fraction on machining characteristics of titanium alloy Ti6Al4V”, 16th Machining Innovations Conference for Aerospace Industry, Garbsen, Germany, pp.65.

Grabin, V. (1964), Structure and properties of welded joints from titanium alloys, Naukova dumka, Kiev, Ukraine.


GOST Style Citations


  1. Дінг Д., Пєн З., Цуіурі Д., Лі Х. Адитивні технології з подачею металевої проволоки: технології, розвиток та майбутній інтерес // Міжнародний журнал передових виробничих технологій. – 2015. –Том 1, № 81. – С. 465-481.
  2. Брандль Е. та ін. Адитивне виробництво ВТ6, використовуючи зварювальну проволоку: порівняння лазерного та дугового променю осадження та оцінка, враховуючи космічну специфікацію матеріалів // Фізична Проседія. – 2010. - № 5 (ч. В). – С. 595 – 606.
  3. Едвардс П. та ін. Електронно-променеве адитивне виробництво титанових компонентів: Властивості та продуктивність // Журнал виробничої науки та інженерії. – 2013. – том 135, № 6. – С. 061016/1-061016/7.   DOI:10.1115/1.4025773
  4. ІСО/АСТМ 52900 «Стандартна технологія для адитивних технологій виробництва - загальні принципи - термінологія», АСТМ книга Стандартів, Західний Коншохокен, ПА: АСТМ Интернешнал. ‑ 2017. ‑ С. 1-9.
  5. Махненко О.В., Міленін А.С., Великоіваненко Є.А., Розинка Г.Ф., Півторак Н.І., Козлитіна С.С., Дзюбак Л.І. Моделювання температурних полів для різних типів 3D-моделей при їх пошаровому формуванні на обладнанні електронно-променевого наплавлення xBeam 3D Metal Printer // Сб. докл. VIII Міжн. конф. «Променеві технології в зварюванні та обробці матеріалів». Одеса, Україна, 10-16 вересня 2017 р
  6. Ковальчук Д.В., Мельник В.І., Мельник І.В. Нові можливості адитивного виробництва з технологією xBeam 3D Metal Printing // Збірник праць восьмої міжнародної конференції «Променеві технології в зварюванні та обробці матеріалів». Київ, Україна, 2017. ‑ 51 с.
  7. Лютерінг Г., Вільямс Дж. С. Мікроструктура та механічні властивості титанових сплавів // Мікроструктура та властивості матеріалів, том 2 / Під ред. Дж. С. М. Лі. – М.: Ворлд Сайнтіфі. ‑ 2000. – С. 26-29.
  8. Полькін И.С. Підвищення властивостей металевих матеріалів за рахунок застосування нових технологічних процесів // Перспективні технології легких і спеціальних сплавів. – Москва: Фізматліт. ‑ 2006. - С. 66-73.
  9. Сінявскі Дж., Зіайа В., Кубяк К. Мікроструктура та механічні властивості високоміцних двофазних титанових сплавів // Титанові сплави / Під ред. Сінявскі Дж. – М.: Інтех Опен. ‑ 2013. – С. 69-79. DOI: 10.5772/56197
  10. Патіл С., Кекаде С., Фапале К. Ефект α та β фазного відсоткового співвідношення на характеристики обробки титанового сплаву ВТ6 // 16-та Конференція інновацій обробок для аерокосмічної індустрії. Гарбсен, Германія, 2016. ‑ 65 с.
  11. Грабін В.Ф. Структура та властивості зварних з’єднань з титанових сплавів. – Київ: Наукова думка, 1964. –59 с.




________________

Mechanics and Advanced Technologies

National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" 

Address: 37, Prospect Peremohy, 03056, Kyiv-56, Ukraine

tel: +380 (44) 204-95-37

http://journal.mmi.kpi.ua/