Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення
Using the Ti-6Al-4V alloy as an example, the influence of thermal conditions in 3D-printing on the anisotropy of its microstructure, phase composition, residual macrostresses, and mechanical properties during selective laser melting (SLM) is demonstrated. A fiber ytterbium laser with air cooling and...
Saved in:
| Date: | 2024 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
2024
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2024-4-4 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal Science and Treatment of Metals |
Institution
Metal Science and Treatment of Metals| id |
oai:ojs2.localhost:article-322 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Metal Science and Treatment of Metals |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2024-12-29T09:42:30Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
селективне лазерне плавлення мікроструктура фазовий склад напруження механічні характеристики |
| spellingShingle |
селективне лазерне плавлення мікроструктура фазовий склад напруження механічні характеристики Voloshko, S.M. Burmak, A.P. Holovko, L.F. Kahliak, O.D. Goncharuk, O.О. Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| topic_facet |
selective laser melting microstructure phase composition stresses mechanical properties селективне лазерне плавлення мікроструктура фазовий склад напруження механічні характеристики |
| format |
Article |
| author |
Voloshko, S.M. Burmak, A.P. Holovko, L.F. Kahliak, O.D. Goncharuk, O.О. |
| author_facet |
Voloshko, S.M. Burmak, A.P. Holovko, L.F. Kahliak, O.D. Goncharuk, O.О. |
| author_sort |
Voloshko, S.M. |
| title |
Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_short |
Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_full |
Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_fullStr |
Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_full_unstemmed |
Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_sort |
структурна анізотропія у виробах 3d-друку за технологією селективного лазерного плавлення |
| title_alt |
Structural anisotropy in 3D-printed products using selective laser melting technology |
| description |
Using the Ti-6Al-4V alloy as an example, the influence of thermal conditions in 3D-printing on the anisotropy of its microstructure, phase composition, residual macrostresses, and mechanical properties during selective laser melting (SLM) is demonstrated. A fiber ytterbium laser with air cooling and a nominal power of 200 W, a laser beam diameter of ~45 µm, and a wavelength of 1070 ± 2 nm was employed, with a scanning speed of 500 mm/s, a layer thickness of 25 µm, and a hatch distance of 150 µm.
It is shown that the synthesized microstructure consists of periodic scale-gradient layers with a banded structure, which results from the cyclic thermal history experienced by the SLM sample of Ti-6Al-4V, rather than from segregation or oxidation. The bands exhibit a Widmanstätten α-colony morphology with an average size of structural elements around (0.2–2) µm, while the nominal microstructure between the bands shows a basket-weave morphology.
The gradient width of each band is determined by thermal effects, particularly the maximum heating temperature and cooling rate from this temperature, depending on the band’s position – whether in the lower, middle, or upper part of each layer and the distance of this layer from the substrate. The cooling rate of the deposited layer decreases as the number of added layers increases and is highest at the top plane of the SLM sample due to additional heat loss from convection and radiation, as well as the absence of remelting and thermal cycling experienced by the previous layers.
As a result, the microstructure of the top plane is finer, and a greater probable amount of needle-like α'-martensite, a smaller OQR size, and a higher degree of deformation of the β-phase crystal lattice provide a higher microhardness value than in the lateral plane, despite the greater magnitude of tensile macrostresses. The obtained results convincingly demonstrate the feasibility of applying thermomechanical post-processing to ensure a homogeneous structure in SLM products. |
| publisher |
Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine |
| publishDate |
2024 |
| url |
https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2024-4-4 |
| work_keys_str_mv |
AT voloshkosm structuralanisotropyin3dprintedproductsusingselectivelasermeltingtechnology AT burmakap structuralanisotropyin3dprintedproductsusingselectivelasermeltingtechnology AT holovkolf structuralanisotropyin3dprintedproductsusingselectivelasermeltingtechnology AT kahliakod structuralanisotropyin3dprintedproductsusingselectivelasermeltingtechnology AT goncharukoo structuralanisotropyin3dprintedproductsusingselectivelasermeltingtechnology AT voloshkosm strukturnaanízotropíâuvirobah3ddrukuzatehnologíêûselektivnogolazernogoplavlennâ AT burmakap strukturnaanízotropíâuvirobah3ddrukuzatehnologíêûselektivnogolazernogoplavlennâ AT holovkolf strukturnaanízotropíâuvirobah3ddrukuzatehnologíêûselektivnogolazernogoplavlennâ AT kahliakod strukturnaanízotropíâuvirobah3ddrukuzatehnologíêûselektivnogolazernogoplavlennâ AT goncharukoo strukturnaanízotropíâuvirobah3ddrukuzatehnologíêûselektivnogolazernogoplavlennâ |
| first_indexed |
2025-09-24T17:41:17Z |
| last_indexed |
2025-09-24T17:41:17Z |
| _version_ |
1850410126535557120 |
| spelling |
oai:ojs2.localhost:article-3222024-12-29T09:42:30Z Structural anisotropy in 3D-printed products using selective laser melting technology Структурна анізотропія у виробах 3D-друку за технологією селективного лазерного плавлення Voloshko, S.M. Burmak, A.P. Holovko, L.F. Kahliak, O.D. Goncharuk, O.О. selective laser melting microstructure phase composition stresses mechanical properties селективне лазерне плавлення мікроструктура фазовий склад напруження механічні характеристики Using the Ti-6Al-4V alloy as an example, the influence of thermal conditions in 3D-printing on the anisotropy of its microstructure, phase composition, residual macrostresses, and mechanical properties during selective laser melting (SLM) is demonstrated. A fiber ytterbium laser with air cooling and a nominal power of 200 W, a laser beam diameter of ~45 µm, and a wavelength of 1070 ± 2 nm was employed, with a scanning speed of 500 mm/s, a layer thickness of 25 µm, and a hatch distance of 150 µm. It is shown that the synthesized microstructure consists of periodic scale-gradient layers with a banded structure, which results from the cyclic thermal history experienced by the SLM sample of Ti-6Al-4V, rather than from segregation or oxidation. The bands exhibit a Widmanstätten α-colony morphology with an average size of structural elements around (0.2–2) µm, while the nominal microstructure between the bands shows a basket-weave morphology. The gradient width of each band is determined by thermal effects, particularly the maximum heating temperature and cooling rate from this temperature, depending on the band’s position – whether in the lower, middle, or upper part of each layer and the distance of this layer from the substrate. The cooling rate of the deposited layer decreases as the number of added layers increases and is highest at the top plane of the SLM sample due to additional heat loss from convection and radiation, as well as the absence of remelting and thermal cycling experienced by the previous layers. As a result, the microstructure of the top plane is finer, and a greater probable amount of needle-like α'-martensite, a smaller OQR size, and a higher degree of deformation of the β-phase crystal lattice provide a higher microhardness value than in the lateral plane, despite the greater magnitude of tensile macrostresses. The obtained results convincingly demonstrate the feasibility of applying thermomechanical post-processing to ensure a homogeneous structure in SLM products. На прикладі сплаву Ti-6Al-4V продемонстровано вплив термічних умов 3D-друку на анізотропію його мікроструктури, фазового складу, залишкових макроскопічних напружень та механічних характеристик під час одержання за технологією селективного лазерного плавлення (СЛП). Використовувався волоконний ітербієвий лазер з повітряним охолодженням і номінальною потужністю 200 Вт, діаметром лазерного променю ~45 мкм і довжиною хвилі 1070 ± 2 нм, швидкість сканування становила 500 мм/с, товщина шару – 25 мкм і відстань штрихування – 150 мкм. Показано, що синтезована мікроструктура складається з періодичних масштабно-градієнтних шарів із смугастою структурою, яка є результатом саме циклічної термічної історії, яку зазнає СЛП-зразок Ti-6Al-4V, а не сегрегації чи окиснення. Смуги мають морфологію a-колоній Widmanstätten із середнім розміром структурних елементів близько (0,2–2) мкм, тоді як номінальна мікроструктура між смугами демонструє морфологію кошикового переплетення. Градієнт ширини окремої смуги зумовлений тепловими ефектами, зокрема максимальною температурою нагрівання і швидкістю охолодження від цієї температури в залежності від розташування смуги – у нижній, середній чи верхній частині кожного шару, а також відстані цього шару від підкладинки. Швидкість охолодження наплавленого шару зменшується в міру збільшення кількості доданих шарів і є найбільшою у верхній площині СЛП-зразка за рахунок додаткових втрат тепла конвекцією та випромінюванням, а також відсутності переплавки та термоциклування, яких зазнають попередні шари. В результаті мікроструктура верхньої площини є тоншою, а більша ймовірна кількість голчастого a`-мартенситу, менший розмір областей когерентного розсіювання (ОКР) та більший ступень деформації кристалічної гратки β-фази забезпечують вище значення мікротвердості, ніж у бічній площині, не зважаючи на більшу величину розтягуючих макроскопічних напружень. Отримані результати переконливо доводять доцільність застосування термодеформаційної постобробки для забезпечення однорідної структури СЛП-виробів. Physico- Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine 2024-12-24 Article Article application/pdf https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2024-4-4 10.15407/mom2024.04.038 Scientific Technical Journal; Vol. 30 No. 4 (2024): The Scientific Technical journal Metal Science and Treatment of Metals; 38-50 Науково-технічний журнал; Том 30 № 4 (2024): Науково-технічний журнал Металознавство та обробка металів; 38-50 2664-2441 2073-9583 10.15407/mom2024.04 uk https://momjournal.org.ua/index.php/mom/article/view/2024-4-4/325 Copyright (c) 2024 Scientific Technical Journal https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |