Влияние состояния поверхности на усталостные характеристики титанового сплава Ti – 6Al – 4V, полученного по технологии послойного лазерного сплавления

Исследовано влияние различных видов постобработки на усталостные характеристики образцов титанового сплава Ti – 6Al – 4V,, полученных с использованием технологии послойного лазерного сплавления. Проведено сравнение значений усталостной долговечности при испытаниях на малоцикловую усталость образцов титанового сплава Ti – 6Al – 4V, непосредственно после послойного лазерного сплавления и после применения токарной, гидроабразивной и виброгалтовочной обработок. Шероховатость поверхности после послойного лазерного сплавления Ra » 8 мкм, нанотвердость 5,1 ГПа. Эти образцы обладают низкой усталостной долговечностью. После виброгалтовочной обработки шероховатость Ra » » 3,5 мкм, при этом усталостные характеристики не меняются. После токарной обработки получена минимальная шероховатость Ra » 0,1 мкм и нанотвердость 5 ГПа, при этом несколько повышаются усталостные характеристики. Максимальные усталостные свойства получены на образцах, созданных методом послойного лазерного сплавления с последующей гидроабразивной обработкой поверхности, благодаря которой удается снизить шероховатость Ra до ~1 мкм и повысить нанотвердость приповерхностной зоны до 6,1 ГПа. Одной из причин существенного повышения усталостных характеристик после гидроабразивной обработки является упрочнение приповерхностного слоя материала, который становится эффективным препятствием возникновения и распространения микротрещин. Гидроабразивная обработка изделий, полученных с помощью технологии послойного лазерного сплавления, позволяет повысить усталостные характеристики и улучшить качество поверхности образцов титанового сплава Ti – 6Al – 4V, для применения в биомедицине.

1. Liu S., Shin Y. C. Additive manufacturing of Ti – 6Al – 4V, alloy: A review / Mater. Des. 2019. Vol. 164. P. 107552. DOI: 10.1016/j.matdes.2018.107552

2. Tshephe T. S., Akinwamide S. O., Olevsky E., Olubambi P. A. Additive manufacturing of titanium-based alloys. A review of methods, properties, challenges, and prospects / Heliyon. 2022. Vol. 8. P. 09041. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e09041

3. Cerri E., Ghio E., Bolelli G. Ti – 6Al – 4V,-ELI Alloy Manufactured via Laser Powder-Bed Fusion and Heat-Treated below and above the β-Transus: Effects of Sample Thickness and Sandblasting Post-Process / Appl. Sci. 2022. Vol. 12. P. 5359. DOI: 10.3390/app12115359

4. Vyacheslavov A. V., Malinkina Yu. Yu., Bichaev V. B., et al. Analysis of corrosion-resistant titanium slloys doped with ruthenium by ICP-AES / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 5. P. 14 – 19 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-5-14-19

5. Kalienko M. S., Volkov A. V., Zhelnina A. V. Estimation of oxygen ingress depth in titanium alloys after elevator temperature exposure / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 3. P. 32 – 35 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-3-32-35

6. Veiga C., Davim J. P., Loureiro A. J. R. Review on machinability of titanium alloys: the process perspective / Rev. Adv. Mater. Sci. 2013. Vol. 34. P. 148 – 164.

7. Kolachev B. A. (ed.). Semi-finished products made of titanium alloys. — Moscow: ONTI VILS, 1996. — 581 p. [in Russian].

8. Koju N., Niraula S., Fotovvati B. Additively Manufactured Porous Ti – 6Al – 4V, for Bone Implants: A Review / Metals. 2022. Vol. 12. P. 687. DOI: 10.3390/met12040687

9. Bambach M., Sizova I., Szyndler J., et al. On the hot deformation behavior of Ti – 6Al – 4V, made by additive manufacturing / J. Mater. Process. Technol. 2021. Vol. 288. P. 116840. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116840

10. Shorstov S. Yu., Marakhovsky P. S., Pakhomkin S. I., Razmakhov M. G. Study of the thermophysical properties of heat-resistant intermetallic titanium γ-alloy obtained using methods of shaped casting and additive technologies / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. N 9. P. 28 – 34 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-9-28-34

11. Kelly C. N., Evans N. T., Irvin C. W., et al. The effect of surface topography and porosity on the tensile fatigue of 3D printed Ti – 6Al – 4V, fabricated by selective laser melting / Mater. Sci. Eng. C. 2019. Vol. 98. P. 726 – 736. DOI: 10.1016/j.msec.2019.01.024

12. Depboylu F. N., Yasa E., Poyraz O., et al. Titanium based bone implants production using laser powder bed fusion technology / J. Mater. Res. Technol. 2022. Vol. 17. P. 1408 – 1426. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.01.087

13. Guo A. X. Y., Cheng L., Zhan S., et al. Biomedical applications of the powder-based 3D printed titanium alloys: A review / J. Mater. Sci. Technol. 2022. Vol. 125. P. 252 – 264. DOI: 10.1016/j.jmst.2021.11.084

14. Hoque M. E., Showva N.-N., Ahmed M., et al. Titanium and titanium alloys in dentistry: current trends, recent developments, and future prospects / Heliyon. 2022. Vol. 8. P. e11300. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e11300

15. Aufa A. N., Hassan M. Z., Ismail Z. Recent advances in Ti – 6Al – 4V, additively manufactured by selective laser melting for biomedical implants: Prospect development / J. Alloys Compd. 2022. Vol. 896. P. 163072. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.163072

16. Kim K.-H., Ramaswamy N. Electrochemical surface modification of titanium in dentistry / Dent. Mater. J. 2009. Vol. 28. P. 20 – 36. DOI: 10.4012/dmj.28.20

17. Schwartz Z., Raz P., Zhao G., et al. Effect of micrometer-scale roughness of the surface of Ti – 6Al – 4V, pedicle screws in vitro and in vivo / J. Bone Joint Surg. Am. 2008. Vol. 90. P. 2485 – 2498. DOI: 10.2106/jbjs.g.00499

18. de Wild M., Schumacher R., Mayer K., et al. Bone regeneration by the osteoconductivity of porous titanium implants manufactured by selective laser melting: a histological and micro computed tomography study in the rabbit / Tissue Eng. Part A. 2013. Vol. 19. P. 2645 – 2654. DOI: 10.1089/ten.tea.2012.0753

19. Zhao G., Raines A. L., Wieland M., et al. Requirement for both micron- and submicron scale structure for synergistic responses of osteoblasts to substrate surface energy and topography / Biomaterials. 2007. Vol. 28. P. 2821 – 2829. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2007.02.024

20. Chillman A., Ramulu M., Hashish M. Waterjet Peening and Surface Preparation at 600 MPa: A Preliminary Experimental Study / J. Fluids Eng. 2007. Vol. 129. N 4. P. 485 – 490. DOI: 10.1115/1.2436580

21. Song F., Yao S., Liu L., et al. Submerged deflecting abrasive waterjet peening for improving the surface integrity and solid particle erosion resistance of Ti – 6Al – 4V, alloy / Surf. Coat. Technol. 2023. Vol. 470. P. 129780. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129780

22. Yao S.-L., Wang G.-Y., Yu H., et al. Influence of submerged micro-abrasive waterjet peening on surface integrity and fatigue performance of TA19 titanium alloy / Int. J. Fatigue. 2022. Vol. 164. P. 107076. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107076

23. Huang L., Kinnell P., Shipway P. H. Removal of heat-formed coating from a titanium alloy using highpressure waterjet: Influence of machining parameters on surface texture and residual stress / J. Mater. Process Technol. 2015. Vol. 223. P. 129 – 138. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.03.053

24. Arola D., Alade A. E., Weber W. Improving fatigue strength of metals using abrasive waterjet peening/ Mach. Sci. Technol. an Int. J. 2006. Vol. 10. N 2. P. 197 – 218. DOI: 10.1080/10910340600710105

25. Lieblich M., Barriuso S., Ibáñez J. On the fatigue behavior of medical Ti – 6Al – 4V, roughened by grit blasting and abrasiveless waterjet peening J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2016. Vol. 63. P. 390 – 398. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.07.011

26. Ramakrishnan S., Singaravelu D. L., Senthilkumarin V. Microstructure and Chemical State Analysis of Ti – 6Al – 4V, Alloy During Abrasive Water Jet Machining Process / Recent Advances in Materials Technologies. Select Proc. of ICEMT 2021, K. Rajkumar, E. Jayamani, P. Ramkumar, Eds. 2022. — Springer Nature Singapore Pte Ltd., P. 607 – 617.

27. Nguyen H. D., Pramanik A., Basak A. K., et al. A critical review on additive manufacturing of Ti – 6Al – 4V, alloy: microstructure and mechanical properties / J. Mater. Res. Technol. 2022. Vol. 18. P. 4641 – 4661. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.04.055

28. Herzog D., Seyda V., Wycisk E., Emmelmann C. Additive manufacturing of metals / Acta Mater. 2016. Vol. 117. P. 371. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.019

29. Karakas Ö., Kardes F. B., Foti P., et al. An overview of factors affecting high-cycle fatigue of additive manufacturing metals / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2023. Vol. 46. P. 1649 – 1668. DOI: 10.1111/ffe.13967

30. Fatemi A., Molaei R., Simsiriwong J., et al. Fatigue behaviour of additive manufactured materials: An overview of some recent experimental studies on Ti – 6Al – 4V, considering various processing and loading direction effects / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2019. Vol. 42. P. 991 – 1009. DOI: 10.1111/ffe.13000

31. Jamshidi P., Aristizabal M., Kong W., et al. Selective Laser Melting of Ti – 6Al – 4V,: The Impact of Post-processing on the Tensile, Fatigue and Biological Properties for Medical Implant Applications / Materials. 2020. Vol. 13. P. 2813. DOI: 10.3390/ma13122813

32. Li Y.-H., Wang B., Ma C.-P., et al. Material Characterization, Thermal Analysis, and Mechanical Performance of a Laser-Polished Ti Alloy Prepared by Selective Laser Melting / Metals. 2019. Vol. 9. P. 112. DOI: 10.3390/met9020112