УПРАВЛЕНИЕ ЗЕРЕННОЙ СТРУКТУРОЙ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ПРОВОЛОЧНОЙ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ АДДИТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Формирование образцов на основе титанового сплава ВТ6 методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии сопряжено с образованием крупнозернистой столбчатой структуры, состоящей из первичной β-фазы. Этому сопутствует быстрое затвердевание и высокий температурный градиент. Для предотвращения образования крупных столбчатых зерен в образцах на основе сплава ВТ6 был предложен и реализован метод ультразвукового воздействия в проволочной электронно-лучевого аддитивной 3D-печати. Проводен комплексный анализ результатов получения образцов на основе титанового сплава ВТ6 для определения наиболее оптимального подхода с точки зрения бездефектности и достижения подходящей структуры. Влияние ультразвукового воздействия и погонной энергии на зеренную структуру изучали с помощью металлографических исследований. Проведена оценка размеров структурных характеристик в образцах с ультразвуковым воздействием и без него. Структура образцов на основе титанового сплава ВТ6 характеризуется двухфазным состоянием: плотноупакованной гексагональной α-фазы и объемно-центрированной кубической β-фазы. Наиболее выраженный эффект воздействия наблюдался в уменьшении ширины первичных β-зерен и снижение их среднего размера с 5,2 до 3,1 мм, в то время как длина зерен существенно не изменилась. Ключевым фактором, влияющим на зеренную структуру, является эффект акустической кавитации, возникающий в ванне расплава под ультразвуковым воздействием. По сравнению с образцами без ультразвукового воздействия предел прочности при растяжении, предел текучести и относительное удлинение в образцах на основе титанового сплава ВТ6, напечатанного при подводе к подложке ультразвукового преобразователя, увеличились на 50, 20 МПа и 4 %. Выявлено, что образцы без ультразвукового воздействия, ориентированные горизонтально относительно выращивания, показывают характеристики механических свойств выше, чем образцы с ультразвуковым воздействием, ориентированные вертикально относительно выращивания. Дальнейшее развитие изученной технологии ультразвукового воздействия может позволить настраивать микроструктуру и текстурные характеристики объемных деталей, полученных методом аддитивного производства.

1. Kotlyarov V.I., Yuzhakova E.A., Beshkarev V.T., Ivanov V.V., Kozlov R.Y. Set of measures for improving the quality of powders based on titanium for additive technology. Metallurgist. 2017;61:72–77. https://doi.org/10.1007/s11015-017-0456-2

2. Tayon W.A., Domack M.S., Hoffman E.K., Hales S.J. Texture Evolution within the Thermomechanically Affected Zone of an Al ‒ Li Alloy 2195 Friction Stir Weld. Metallurgical and Materials Transactions A. 2013;44:4906–4913. https://doi.org/10.1007/s11661-013-1802-z

3. Zhang L., Chen J., Wang Q., Liu Z., Zhang D., Sun J. Microstructure and mechanical properties of Ti – 6Al – 4V alloy fabricated by electron beam freeform fabrication with ultrasonic assistance. Materials Chemistry and Physics. 2023;306:127924. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.030

4. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Москва: ВИЛС-МАТИ. 2009:520.

5. Wu B., Chao Z., Shao D., Li P., Knott J., Pan Z., Li H. Enhanced corrosion performance in Ti ‒ 6Al ‒ 4V alloy produced via wire-arc directed energy deposition with magnetic arc oscillation. Additive Manufacturing. 2023;66:103465.

6. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103465

7. Yuan T., Kou S., Luo Z. Grain refining by ultrasonic stirring of the weld pool. Acta Materialia. 2016;106:144–154. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.01.016

8. Okunkova A.A., Shekhtman S.R., Metel A.S., Suhova N.A., Fedorov S.V., Volosova M.A., Grigoriev S.N. On defect minimization caused by oxide phase formation in laser powder bed fusion. Metals. 2022;5:760.

9. https://doi.org/10.3390/met12050760

10. Kazantseva N., Krakhmalev P., Thuvander M., Yadroitsev I., Vinogradova N., Ezhov I. Martensitic Transformations in Ti ‒ 6Al ‒ 4V (ELI) Alloy Manufactured by 3D Printing. Materials Characterization. 2018;146:101–112.

11. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.09.042

12. Gu D., Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms. International Materials Reviews. 2012;57(3):133–164. https://doi.org/10.1179/1743280411Y.0000000014

13. Abele E., Schraml M., Schiller P., Pfefferkorn F. Deposition of Ti – 6Al – 4V using laser and wire, part I: Microstructural properties of single beads. Surface and Coatings Technology. 2011;206(6):1133–1141. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.07.095

14. Dehoff R.R., Kirka M.M., Sames W.J., Bilheux H., Tremsin A.S., Lowe L.E., Babu S.S. Site specific control of crystallographic grain orientation through electron beam additive manufacturing. Acta Materialia. 2015;91:144–156.

15. https://doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000734

16. Yang J., Yu H., Yin J., Gao M., Wang Z., Zeng X. Formation and control of martensite in Ti ‒ 6Al ‒ 4V alloy produced by selective laser melting. Materials & Design. 2016;108:308–318.

17. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.06.117

18. Ding L., Sun Z., Liang X., Li J., Xu G., Zhishuai C. Investigation on Ti ‒ 6Al ‒ 4V Microstructure Evolution in Selective Laser Melting. Metals. 2019;9:1270. https://doi.org/10.3390/met9121270

19. Zhang Y., Wang X.-K., Jia Y.-F., Dong B., Wang Z.-M., Yan J.-J., Zhang X.-C., Tu S.-T. Fatigue Life Prediction and Feature Contribution Analysis of Surface-Strengthened Ti – 6Al – 4V Using a Preprocessing Neural Network. International Journal of Fatigue. 2025;56:4991–5005. https://doi.org/10.1007/s11661-025-07952-9

20. Panin A., Martynov S., Kazachenok M., Ka-zantseva L., Bakulin A., Kulkova S., Perevalova O., Sklyarova E. Effects of water cooling on the microstructure of electron beam additive-manufacted Ti – 6Al – 4V. Metals. 2021;11:111742. https://doi.org/10.3390/met11111742

21. Biswas S., Alavi S.H., Sedai B., Blum F.D., Harimkar S.P. Effect of ultrasonic vibration-assisted laser surface melting and texturing of Ti – 6Al – 4V ELI alloy on surface properties. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35:295–302. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.057

22. Суминов И.В., Хилфи Диаа Х.Ч. Аддитивные технологии в современной промышленности: применение и перспективы на примере титановых сплавов. Кузнечно-штамповочное производство. обработка материалов давлением. 2024;3:36–43.

23. Kandi R., Sahoo S.K., Sahoo A.K. Ultrasonic vibration-assisted turning of Titanium alloy Ti – 6Al – 4V: numerical and experimental investigations. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2020;42:399. https://doi.org/10.1007/s40430-020-02481-5

24. Zykova A.P., Nikolaeva A.V., Vorontsov A.V., Chumaevskii A.V., Nikonov S.Y., Moskvichev E.N., Gurianov D.A., Savchenko N.L., Kolubaev E.A., Tarasov S.Y. Effect of Copper Content on Grain Structure Evolution in Additively Manufactured Ti – 6Al – 4V Alloy. Physical Mesomechanics. 2023;26:107–125. https://doi.org/10.1134/S1029959923020017

25. Wang Y., Shi Y., Yang K., Wang H. Microstructure and mechanical properties of wire + arc additively manufactured Ti – 6Al – 4V with interlayer rolling. Journal of Materials Science & Technology. 2020;51:47–56.

26. https://doi.org/10.1007/s00170-011-3299-1

27. Panin A.V., Kazachenok M.S., Dmitriev A.I., Nikonov A.Yu., Perevalova O.B., Kazantseva L.A., Sinyakova E.A., Martynov S.A. The effect of ultrasonic impact treatment on deformation and fracture of electron beam additive manufactured Ti – 6Al – 4V under uniaxial tension. Materials Science and Engineering: A. 2022;832:142458. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.142458

28. Popov Jr.V., Katz-Demyanetz A., Kovalevsky A., Biletskiy R., Strokin E., Garkun A., Effect of the hatching strategies on mechanical properties and microstructure of sebm manufactured Ti ‒ 6Al ‒ 4V specimens. Letters on materials. 2018;8:468–472. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2018-4-468-472

29. Kartavykh A.V., Asnis E.A., Piskun N.V., Statkevich I.I., Gorshenkov M.V., Tcherdyntsev V.V. anthanum Hexaboride as Advanced Structural Refiner/Getter in TiAl-Based Refractory Intermetallics. Journal of Alloys and Compounds. 2014;588:122–126. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.017

30. Biswas S., Alavi S.H., Sedai B., Blum F.D., Harimkar S.P. Ultrasonic vibration assisted laser metal deposition of Ti – 6Al – 4V: heat transfer and microstructure formation. Journal of Materials Science & Technology. 2019;35:295–302. https://doi.org/1016/j.jmst.2018.09.057

31. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H., van Duin S., Larkin N. Bead modelling and implementation of adaptive MAT path in wire and arc additive manufacturing. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 2016;39:32–42.

32. https://doi.org/1016/j.rcim.2015.12.004

33. Wang F., Williams S., Colegrove P., Antonysa-my A.A. Microstructure and Mechanical Properties of Wire and Arc Additive Manufactured Ti – 6Al – 4V. Metallurgical and Materials Transactions A. 2013;44:968–977.

34. https://doi.org/10.1007/s11661-012-1444-6

35. Kabir S., Ansary S.R., Kaushik H.C., Zhao B., Kono D., Cong W. Ultrasonic vibration-assisted laser directed energy deposition: effects on material movement in vertical and horizontal direction. Progress in Additive Manufacturing. 2026. https://doi.org/10.1007/s40964-025-01487-6

36. Gu D., Wang H., Dai D., Chang F., Meiners W., Hagedorn Y.-C., Wissenbach K., Kelbassa I., Poprawe R. Densification behavior, microstructure evolution, and wear property of TiC nanoparticle reinforced AlSi10Mg bulk-form nano-composites prepared by selective laser melting. Journal of Laser Applications. 2015;27:17003. https://doi.org/10.2351/1.4870877

37. Peng F.C., Guo C., Fengchun J., Yuan D., Yin H., Sun Q., Zhang H., Dong T., Guo D., Konovalov S. Microstructure evolution and me-chanical properties of wire-arc additively manufac-tured Ti – 6Al – 4V under different heat inputs. Materials Science and Engineering: A. 2025;925:147934.

38. https://doi.org/10.1016/j.msea.2025.147934

39. Deschamps A., Marioara C.D., Clouet E., Marquis E.A., Dorin B., Hutchinson C.R. Precipitation kinetics in metallic alloys: Experiments and modelling. Progress in Materials Science. 2021;122:100820. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100820

40. Mohammadhosseini A., Fraser D., Masood S.H., Jahedi M. Microstructure and mechanical properties of Ti – 6Al – 4V manufactured by electron beam melting process. Materials Research Innovations. 2019;17:106–112.

41. https://doi.org/10.1179/1432891713Z.000000000302

42. Chen C., Fan C., Cai X., Lin S., Yang C. Ultrasonic irradiation induced the microstructure refinement and textureevolution of Ti – 6Al – 4V TIG weld seam. Science and technology of welding and joining. 2018.

43. https://doi.org/10.1080/13621718.2019.1604476

44. Gu D., Meiners W., Wissenbach K., Poprawe R. Laser additive manufacturing of metallic components: materials, processes and mechanisms. International Materials Reviews. 2012;57:133–164. https://doi.org/10.1179/1743280411Y.0000000014

45. Gu D., Hagedorn Y.-C., Meiners W., Meng G., Batista A.C., Wissenbach K., Poprawe R. Nanocrystalline TiC reinforced Ti matrix bulk-form nanocomposites by Selective Laser Melting (SLM): Densification, growth mechanism and wear behavior. Composites Science and Technology. 2011;71:1612–1620.

46. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.07.010

47. Yuan D., Shao S., Guo C., Jiang F., Wang J. Grain refining of Ti – 6Al – 4V alloy fabricated by laser and wire additive manufacturing assisted with ultrasonic vibration. Ultrasonics Sonochemistry. 2021;73:105472. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105472

48. Kolubaev E.A., Rubtsov V.E., Chumaevsky A.V., Astafurova E.G. Micro-, meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing. Physical mesomechanics. 2022;25:479–491. https://doi.org/10.1134/S1029959922060017