CC BY
2
УДК 620.17
DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.10
А.В. Ильиных, А.М. Паньков, А.В. Лыкова, Г.Л. Пермяков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ АДДИТИВНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 В УСЛОВИЯХ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
В работе проведено экспериментальное исследование циклической долговечности титанового сплава ВТ6, полученного по технологии аддитивного производства методом трехмерной проволочно-дуговой наплавки. При наплавке пластины из ВТ6 был использован метод холодного переноса металла. После наплавки пластина была подвергнута процедуре температурной обработки для снятия остаточных напряжений. Из наплавленной пластины были вырезаны образцы в параллельном и перпендикулярном направлениях по отношению к плоскости наплавляемых слоев для испытаний при циклическом растяжении. Для исследования влияния концентрации напряжений на характеристики сопротивления усталости на плоских образцах с одной стороны были сделаны выкружки.
Экспериментальные исследования проводились на базе Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета. Для проведения циклических испытаний использовались электродинамическая испытательная система фирмы Instron Е10000 и динамический датчик осевых деформаций. По результатам испытаний построены зависимости циклической долговечности от уровня прикладываемых напряжений. Отмечено, что концентрация напряжений значительно сказывается на характеристиках сопротивления усталости. Циклическая долговечность по сравнению с обычными образцами уменьшается на два порядка при выбранной форме концентратора напряжений. Направление вырезки образцов в условиях концентрации напряжений незначительно влияет на циклический ресурс аддитивного титанового сплава ВТ6. Показано, что циклическая долговечность вертикально вырезанных образцов примерно на 5-10 % ниже, чем у горизонтальных образцов во всем диапазоне нагрузок.
Ключевые слова: аддитивное производство, ВТ6, экспериментальное исследование, малоцикловая усталость, циклическая долговечность, растяжение, концентрация напряжений.
A.V. Ninykh, A.M. Pankov, A.V. Lykova, G.L. Permyakov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
EXPERIMENTAL STUDY OF ADDITIVE TITANIUM ALLOY TI-6AL-4V CYCLIC DURABILITY UNDER CONDITIONS OF STRESS CONCENTRATION
The work carried out an experimental study of the titanium alloy Ti-6Al-4V cyclic durability, obtained using additive manufacturing technology applying the method of three-dimensional wire-arc surfacing. When surfacing the Ti-6Al-4V plate, the cold metal transfer method is used. After surfacing, the plate is subjected to a heat treatment procedure to relieve residual stresses. Samples are cut from the deposited plate in parallel and perpendicular directions relative to the plane of the deposited layers for testing under cyclic tension. To study the effect of stress concentration on the fatigue resistance characteristics, side cutouts in the shape of a semicircle are made on the one side of flat samples.
Experimental studies are carried out at the Center of Experimental Mechanics of Perm National Research Polytechnic University. To carry out cyclic tests, an Instron E10000 electrodynamic testing system and an axial strain dynamic pick-up are used. Based on the test results, the dependences of cyclic durability on the level of applied stresses are constructed. It is noted that stress concentration significantly affects the fatigue resistance characteristics. Cyclic durability compared to the usual samples is reduced by two orders of magnitude with the chosen shape of the stress concentrator. The direction of cutting samples under conditions of stress concentration has virtually no effect on the cyclic life of the additive titanium alloy Ti-6Al-4V. It is shown that the cyclic durability of vertically cut samples is approximately 5-10 % lower than that of horizontal samples over the entire load range.
Keywords: additive manufacturing, Ti-6Al-4V, experimental study, low cycle fatigue, fatigue life, tensile, stress concentration.
Внедрение аддитивных технологий при производстве перспективной авиационной техники позволяет проектировать и изготавливать облегченные детали и элементы конструкций сложной геометрии. При условии сохранения несущей способности аддитивных изделий во многих случаях удается добиться значительного снижения массовых характеристик изделия.
Сертификация используемых металлических материалов и внедрение мелкосерийного и серийного производства позволили значительно снизить затраты на аддитивное производство [1-3].
При всех имеющихся преимуществах материалы, изготовленные при помощи различных аддитивных технологий, как правило, имеют ряд недостатков. Одной из основных технических проблем аддитивных материалов является наведенная анизотропия механических свойств, связанная с природой послойного синтеза, режимами работы оборудования, стратегиями формирования слоя и послойного синтеза деталей и др. [4-11].
При изготовлении аддитивных деталей и элементов конструкции инженеры стремятся подобрать параметры синтеза и последующей операции термической обработки таким образом, чтобы по возможности исключить анизотропию упругих, пластических и прочностных свойств. Но наличие пористой структуры и структурной неоднородности в аддитивных материалах определяет остаточную анизотропию механических свойств [12-14] и соответственно характеристик сопротивления усталости. Изучение закономерностей механического поведения аддитивных материалов при циклическом нагружении в настоящее время является масштабной научной задачей, что определяет актуальность исследований в этом направлении [15-21].
Дальнейшее развитие аддитивных технологий в том числе связано с использованием в производстве исходного сырья из жаропрочных конструкционных сплавов, позволяющих проектировать высоконагруженные детали и элементы конструкций, работающие в условиях малоцикловой усталости. Сложная геометрия аддитивных изделий определяет наличие концентраторов напряжений различной формы. В связи с этим представляет интерес исследование закономерностей механического поведения в условиях мало- и многоцикловой усталости при наличии концентрации напряжений [22-24].
Целью работы является экспериментальное исследование характеристик сопротивления малоцикловой усталости аддитивного титанового сплава ВТ6, полученного методом трехмерной проволочно-дуговой наплавки, при циклических испытаниях на растяжение образцов с концентратором напряжений, вырезанных в вертикальном и горизонтальном направлениях по отношению к плоскости наплавленных слоев.
Объект исследования
Проволочно-дуговое аддитивное производство - это современные технологии, которые являются эффективными для изготовления сложных трехмерных крупногабаритных изделий и позволяют изготавливать изделия слой за слоем по трехмерной модели. Проволока из титанового сплава ВТ6 использовалась в качестве присадочного материала. Одной из разновидностей этого способа аддитивного производства является процесс СМТ наплавки. Аббревиатура «СМТ» расшифровывается как Cold Metal Transfer («холодный перенос металла»). При СМТ наплавке за счет оптимизации тепловых режимов в основную изготавливаемую конструкцию подается значительно меньше тепла по сравнению с другими методами, что обеспечивает геометрические размеры наплавляемой детали, близкие к заданным. При данном методе производства в готовой трехмерной конструкции присутствуют минимальные остаточные напряжения [4, 25].
Заготовка в виде пластины, из которой затем были вырезаны образцы для испытаний, была изготовлена на базе Лаборатории методов создания и проектирования систем «материал -технология - конструкция» Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), имеющей большой опыт в области аддитивного производства крупногабаритных конструкций из разных сталей и сплавов [26-29]. Пластина наплавлялась чередующимися слоями с поперечной осцилляцией (рис. 1) по предварительно выбранному в результате моделирования оптимальному режиму наплавки: обратная полярность, ток дуги 1д = 160.170 А; напряжение на дуге ид = 12,4.13 В; скорость подачи проволоки Fnn = 4,8.6,2 м/мин; скорость сварки Усв = 100.135 см/мин; расход защитного газа аргона QAr = 50 л/мин. Для улучшения структуры и повышения уровня механических свойств на-
плавляемого металла был выбран известный из литературных источников режим термической обработки (ТО) для сплава ВТ6 - изотермический отжиг: нагрев до 850 °С, выдержка 2 ч, охлаждение с печью до 550 °С, выдержка 0,5 ч.
Рис. 1. Стратегия заполнения с поперечной осцилляцией +45° и -45° для трехмерной наплавки пластины
Из наплавленной с заданными технологическими параметрами пластины титанового сплава ВТ6 методом электроэрозии были вырезаны плоские образцы. Схема вырезки образцов и фотография части наплавленной пластины приведены на рис. 2. Под вертикальной ориентацией образцов понимается такое расположение, при котором наибольший размер располагается вдоль направления выращивания пластины (ориентация образца под углом 90° по отношению к плоскости наплавленных слоев). Соответственно при горизонтальной ориентации образцов наибольший размер расположен параллельно плоскости наплавляемых слоёв (ориентация образца под нулевым углом по отношению к плоскости наплавленных слоев).
Рис. 2. Схема вырезки образцов из наплавленной пластины (а) и фотография наплавленного
фрагмента пластины (б)
Методика испытаний
Испытания были проведены в Центре экспериментальной механики ПНИПУ, сотрудники которого имеют большой опыт в проведении испытаний на малоцикловую усталость [30-33]. Экспериментальные исследования вырезанных из наплавленной пластины образцов аддитивного титанового сплава ВТ6 на малоцикловую усталость при растяжении выполнялись на электродинамической испытательной системе Instron E10000 с максимальным осевым усилием 10 кН. Помимо испытаний на растяжение и сжатие, Instron E10000 позволяет проводить эксперименты при кручении с максимальным крутящим моментом 100 Нм.
Образцы для циклических испытаний на растяжение были вырезаны из наплавленной заготовки в форме пластин с прямоугольным поперечным сечением и подвергнуты последующим операциям шлифовки и полировки для обеспечения шероховатости поверхности Ra = 0,16 мкм. Толщина вырезанных образцов составила около 2,0 мм. Общая длина образцов равнялась 80 мм. Эскиз и фотографии образцов для испытаний представлены на рис. 3.
Для экспериментального исследования влияния концентрации напряжений на малоцикловую усталость аддитивного титанового сплава ВТ6 на образцах с одной стороны были вырезаны концентраторы напряжений в виде выкружки. Радиус выкружки равнялся 2 мм. Размеры образца и геометрия концентратора напряжений определяют значение теоретического коэффициента концентрации напряжений Ka ~ 3,2, величина которого была определена путем численного моделирования в ANSYS полей напряжений, возникающих в образце с концентратором напряжений под действием приложенных нагрузок.
б
а
Рис. 3. Эскизы (а) и фотографии (б) образцов без концентратора и с концентратором напряжений в виде односторонней выкружки для испытаний на малоцикловую усталость (на эскизе указаны
размеры до шлифовки и полировки)
Выбор длины и размеров образцов связан с ограничениями по толщине и ширине наплавленной пластины. Использование образцов относительно небольших размеров позволяет существенно сэкономить на наплавленном материале при их изготовлении и расширяет базу различных видов экспериментов с целью определения комплекса механических характеристик.
Перед испытанием на малоцикловую усталость на образец устанавливается навесной датчик осевых деформаций ¡шйсп 2620-603 с диапазоном измерения деформации ±10 % на базе 10 мм. Датчик осевых деформаций устанавливался на торцевую часть образца со стороны
концентратора напряжений (рис. 4). Уровни нормальных напряжений для испытаний на малоцикловую усталость выбирались таким образом, чтобы число циклов до разрушения в испытании примерно получалось в диапазоне от 103 до 105 циклов, что соответствует диапазону малоцикловой усталости. Частота испытаний равнялась 1 Гц.
Рис. 4. Фотография установленного в захваты испытательной системы образца с концентратором напряжений и зафиксированного на этом образце датчика осевых деформаций
Результаты и обсуждение
Проведены серии циклических испытаний с контролем параметров цикла по нормальным напряжениям для образцов из аддитивного титанового сплава ВТ6 с концентратором напряжений, вырезанных в вертикальном и горизонтальном направлениях по отношению к плоскости наплавленных слоев. Циклическое нагружение проводилось до полного разрушения образцов на две части. В таблице приведены новые экспериментальные данные, показывающие влияние направления вырезки образцов на характеристики сопротивления малоцикловой усталости наплавленного титана ВТ6 при растяжении и наличии концентрации напряжений. На рис. 5 в логарифмических координатах представлены результаты экспериментальных исследований в графической форме, на которой дополнительно показаны результаты аппроксимации экспериментальных данных в виде кривых усталости. Из рисунка видно, что направление вырезки незначительно сказывается на циклическую долговечность аддитивного титанового сплава ВТ6 при наличии концентрации напряжений. Количественно циклическая долговечность получилась больше на 5-10 % у образцов, вырезанных в горизонтальном направлении.
Результаты испытаний образцов с концентратором напряжений из аддитивного сплава ВТ6
на малоцикловую усталость при растяжении
Образцы, вырезанные в вертикальном направлении Образцы, вырезанные в горизонтальном направлении
максимальное напряжение число циклов максимальное напряжение число циклов
в цикле стах, МПа до разрушения N в цикле стах, МПа до разрушения N
250 142 509 250 154 841
350 15 227 300 64 928
550 4046 450 8451
750 1110 500 9012
750 986 600 5006
- - 750 1354
^ИШЛ? МПа ^Ч.
ЕЁ
N
1.Е+02 1.Е+03 1.Е+04 1.Е+05 1.Е+06
Рис. 5. Результаты испытаний на малоцикловую усталость при растяжении образцов с концентратором напряжений из наплавленного титанового сплава ВТ6, вырезанных в вертикальном (красный цвет) и горизонтальном (синий цвет) направлениях по отношению к плоскости наплавки
Для анализа механического поведения в условиях малоцикловой усталости для образцов с концентратором напряжений строились петли гистерезиса в виде зависимости прикладываемой нагрузки Р от перемещения и, зафиксированного с помощью датчика осевых деформаций. Для примера на рис. 6 представлены зависимости в виде петель гистерезиса, зафиксированные в начале, середине и в конце испытания для вертикального и горизонтального образцов, испытанных при максимальном значении напряжения 750 МПа (рис. 6). Наибольшая ширина петли гистерезиса наблюдается в первом цикле нагружения. В последующих циклах ширина петли уменьшается, что говорит об упрочняющем характере циклического поведения наплавленного титанового сплава ВТ6. В конце испытания ширина петель гистерезиса несколько увеличивается из-за появления и развития трещины в области концентратора напряжений.
а б
Рис. 6. Петли гистерезиса для образцов из аддитивного титанового сплава ВТ6, зафиксированные в начале, середине и в конце испытания при максимальном значении напряжения 750 МПа: а - образец вырезан в вертикальном направлении; б - образец вырезан в горизонтальном направлении
Построены зависимости максимальных и минимальных значений перемещения и в цикле от общего числа циклов до разрушения этих образцов (рис. 7). Анализ приведенных экспериментальных данных показывает, что величина односторонне накопленной деформации, соответствующей максимальному значению перемещений и, примерно одинакова как для вертикальных, так и для горизонтальных образцов. Появление трещины в последних циклах перед разрушением приводит к резкому увеличению пиковых значений перемещений в цикле.
На рис. 8. представлены фотографии разрушенных образов из титанового сплава ВТ6 с концентратором напряжений после испытаний на малоцикловую усталость при растяжении. Разрушение образцов с концентратором, вырезанных в двух перпендикулярных направлениях, протекает по одному сценарию. Трещина возникает в зоне концентрации напряжений, а затем происходит долом за один цикл.
и, мм 2,5 2 1,5 1
0,5 0
^тах - сплошная линия, атщ - штриховая линия
а б
Рис. 7. Зависимость максимальных и минимальных значений перемещений в цикле от общего числа циклов до разрушения образцов из наплавленного титанового сплава ВТ6 при максимальном значении напряжения 750 МПа: а - образец вырезан в вертикальном направлении; б - образец вырезан
в горизонтальном направлении
а б
Рис. 8. Разрушенные образцы с концентратором напряжений после испытаний на МЦУ при растяжении: а - образец вырезан в вертикальном направлении, атах = 550 МПа; б - образец вырезан в горизонтальном направлении, атах = 500 МПа
Для оценки влияния концентрации напряжений на циклическую долговечность при испытаниях на малоцикловую усталость воспользуемся аналогией с эффективным коэффициентом концентрации напряжений, который рассчитывается через пределы усталостной выносливости образцов без концентратора и с концентратором напряжений. Так как при малоцикловой усталости не достигается предел усталостной выносливости, то этот коэффициент К будем рассчитывать как отношение амплитуды напряжения образца без концентратора к амплитуде напряжений образца с концентратором при одинаковой долговечности образцов в диапазоне числа циклов до разрушения от 104 до 105. На рис. 9 представлены зависимости полученного значения рассчитанного эффективного коэффициента концентрации напряжений К от циклической долговечности N для образцов, вырезанных вдоль (вертикальные образцы) и поперек (горизонтальные образцы) направления выращивания.
Рис. 9. Зависимости эффективного коэффициента концентрации напряжений при малоцикловой усталости от числа циклов до разрушения для образцов, вырезанных в вертикальном (красный цвет) и горизонтальном (синий цвет) направлениях по отношению к плоскости наплавки
Для образцов, вырезанных вдоль направления выращивания в диапазоне малоцикловой усталости (104-105 циклов), не обнаружено существенной зависимости коэффициента К от долговечности. Однако для образцов, выращенных в горизонтальном направлении, в диапазоне малоцикловой усталости обнаружена монотонно возрастающая зависимость эффективного коэффициента концентрации напряжений от долговечности. Максимальное значение эффективного коэффициента концентрации составило 2,82 при циклической долговечности 1,5405 у образцов, вырезанных в горизонтальном направлении. У вертикально вырезанных образцов значения этого коэффициента во всем диапазоне числа циклов до разрушения примерно равны двум.
Заключение
Проведены сравнительные циклические испытания на растяжение в условиях концентрации напряжений образцов из аддитивного титанового сплава ВТ6, вырезанных в двух направлениях из пластины, изготовленной методом трехмерной проволочно-дуговой наплавки. Проведено исследование закономерностей механического поведения титанового сплава при малоцикловой усталости и наличии концентрации напряжений на основе анализа петель гистерезиса, построенных в виде зависимости прикладываемой нагрузки Р от перемещения и, зафиксированного с помощью датчика осевых деформаций. С использованием введенного эффективного коэффициента концентрации напряжений произведено сопоставление полученных результатов циклических испытаний образцов с концентратором напряжений с результатами аналогичных испытаний образцов без концентратора.
Показано, что направление вырезки образцов с концентратором напряжений в виде односторонней выкружки из наплавленной пластины титанового сплава ВТ6 практически не влияет на характеристики сопротивления усталости. Циклическая долговечность горизонтально вырезанных образцов получилась на 5-10 % больше, чем у образцов, вырезанных в вертикальном направлении.
Обнаружено, что наибольшая чувствительность к концентрации напряжений проявляется у образцов, вырезанных в горизонтальном направлении, при долговечности порядка 105 циклов. Наибольшее экспериментально определенное значение введенного эффективного коэффициента концентрации напряжений равняется 2,8. Для вертикально вырезанных образцов в рассматриваемом диапазоне числа циклов до разрушения значения этого коэффициента меняются незначительно и находятся в диапазоне от 1,8 до 2,2.
Библиографический список
1. Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. - 2019. - № 7-8. -С. 54-58.
2. Перспективы применения аддитивных технологий для создания деталей и узлов авиационных газотурбинных двигателей и прямоточных воздушно-реактивных двигателей / Л.А. Магеррамова, Ю.А. Ножницкий, С.А. Волков, М.Е. Волков, В.Ж. Чепурнов, С.В. Белов, И.С. Вербанов, С.В. Заикин // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2019. -Т. 18, № 3. - С. 81-98. DOI: 10.18287/2541-7533-2019-18-3-81-98
3. Обзор проблем создания сверхзвукового пассажирского самолёта нового поколения в части силовой установки / А.Д. Алендарь, А.И. Ланшин, А.А. Евстигнеев, К.Я. Якубовский, М.В. Силуянова // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2023. -Т. 22, № 1. - С. 7-28. DOI: 10.18287/2541-7533-2023-22-1-7-28
4. Сравнительный анализ структуры и механических свойств аддитивных изделий, полученных электронно-лучевым методом и холодным переносом металла / А.А. Елисеев, В.Р. Утяганова, А.В. Воронцов, В.В. Иванов, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2020. - № 4. -С. 65-73.
5. Additive manufacturing of metals / Dirk Herzog, Vanessa Seyda, Eric Wycisk, Claus Emmelmann // Acta Materialia. - 2016. - № 117. - Р. 371-392.
6. Ductility of a Ti-6Al-4V alloy produced by selective laser melting of prealloyed powders / Luca Fac-chini, Emanuele Magalini, Pierfrancesco Robotti, Alberto Molinari, Simon Hoges, Konrad Wissenbach // Rapid Prototyping Journal. - 2010. - № 16/6. - Р. 450-459.
7. John J. Lewandowski, Mohsen Seifi, Metal Additive Manufacturing: A Review of Mechanical Properties // Annu. Rev. Mater. Res. - 2016. - № 46. - Р. 14.1-14.36.
8. Fatigue crack growth behavior of laser powder bed fusion additive manufactured Ti-6Al-4V: Roles of post heat treatment and build orientation / M. Tank Hasib, H.E. Ostergaard, X. Li, J.J. Kruzic // International Journal of Fatigue. - 2021. - № 142. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105955
9. Influence of defects on mechanical properties of Ti-6Al-4 V components produced by selective laser melting and electron beam melting / Haijun Gong, Khalid Rafi, Hengfeng Guc, G.D. Janaki Ramd, Thomas Starr, Brent Stucker // Materials and Design. - 2015. - № 86. - Р. 545-554.
10. Mahmoud D., Al-Rubaie K.S., Elbestawi M.A. The influence of selective laser melting defects on the fatigue properties of Ti6Al4V porosity graded gyroids for bone implants // International Journal of Mechanical Sciences. - 2021. - № 193. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2020.106180
11. Defect-correlated fatigue resistance of additively manufactured al-Mg4.5Mn alloy with in situ micro-rolling / C. Xie, S. Wu, Y. Yu, H. Zhang, Y. Hu, M. Zhang, G. Wang // Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - № 291. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.117039
12. Anisotropy of Mechanical Properties and Residual Stress in Additively Manufactured 316L Specimens / A. Fedorenko, B. Fedulov, Y. Kuzminova, S. Evlashin, O. Staroverov, M. Tretyakov, E. Lomakin, I. Ak-hatov // Materials. - 2021. - № 14. - Р. 7176. DOI: 10.3390/ma14237176
13. Анализ вопросов реализации упругих свойств наплавленной нержавеющей стали 316LSi / А.В. Ильиных, А.М. Паньков, Е.В. Феклистова, Е.М. Струнгарь, Г.Л. Пермяков // Тез. докл. XXIII Зимняя школа по механике сплошных сред 13-17 февраля 2023 г. - Пермь, 2023. - С. 145.
14. Ильиных А.В. Механические свойства стали 12Х18Н10Т, полученной методом селективного лазерного сплавления // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2018. - № 55. - С. 103-109. DOI: 10.15593/2224-9982/2018.55.11
15. High Temperature Low Cycle Fatigue of Co-Cr-Ni-W-Ta Heat Resistant Alloy Produced by Additive Technological Processes / P.V. Ryzhkov, D.I. Suhov, I.A. Hodinev [et al.] // Inorg. Mater. Appl. Res. -2022. - № 13. - Р. 1719-1726. DOI: 10.1134/S2075113322060211
16. Femtosecond Laser Shock Peening Residual Stress and Fatigue Life of Additive Manufactured AlSi10Mg / J. Biddlecom, Y. Li, X. Zhao [et al.] // JOM. - 2023. - № 75. - Р. 1964-1974. DOI: 10.1007/s11837-023-05820-8
17. Microstructure and Fatigue Properties of Ti-48Al Alloy Fabricated by the Twin-Wire Plasma Arc Additive Manufacturing / X. Zhang, Q. Lu, P. Zhang [et al.] // J. of Materi Eng and Perform. - 2022. - № 31. -Р. 8250-8260. DOI: 10.1007/s11665-022-06847-9
18. Fatigue Behavior of Austenitic Stainless Steel 347 Fabricated via Wire Arc Additive Manufacturing / R. Duraisamy, S.M. Kumar, A.R. Kannan [et al.] // J. of Materi Eng and Perform. - 2021. - № 30. - Р. 6844-6850. DOI: 10.1007/s11665-021-06033-3
19. A Process-Structure-Property Simulation Framework for Quantifying Uncertainty in Additive Manufacturing: Application to Fatigue in Ti-6Al-4V / J.D. Pribe, B. Richter, P.E. Leser [et al.] // Integr Mater Manuf Innov. - 2023. - № 12. - Р. 231-250. DOI: 10.1007/s40192-023-00303-9
20. A machine-learning fatigue life prediction approach of additively manufactured metals / H. Bao, Wu S., Wu Z., Kang G., Peng X., Withers P.J. // Engineering Fracture Mechanics. - 2021. - № 242. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2020.107508
21. Zhan Z., Li H. Machine learning based fatigue life prediction with effects of additive manufacturing process parameters for printed SS 316L // International Journal of Fatigue. - 2021. - № 42. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105941
22. Kahlin M., Ansell H., Moverare J.J. Fatigue behaviour of notched additive manufactured Ti6Al4V with as-built surfaces // International Journal of Fatigue. - 2017. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.04.009
23. Hassanifard S., Adibeig M.R., Hashemi S.M. Determining strain-based fatigue parameters of addi-tively manufactured Ti-6Al-4V: effects of process parameters and loading conditions // Int J Adv Manuf Tech-nol. - 2022. - № 121. - Р. 8051-8063. DOI: 10.1007/s00170-022-09907-5
24. Hassanifard S., Behdinan K. Effects of voids and raster orientations on fatigue life of notched additively manufactured PLA components // Int J Adv Manuf Technol. - 2022. - № 120. - Р. 6241-6250. DOI: 10.1007/s00170-022-09169-1
25. Cold Metal Transfer (CMT) Based Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) System / Ch. Xizhang, C. Su, Y. Wang [et al.] // J. Surf. Investig. - 2018. - № 12. - Р. 1278-1284. DOI: 10.1134/S102745101901004X
26. Microstructure and Properties of the 308LSi Austenitic Steel Produced by Plasma-MIG Deposition Welding with Layer-by-Layer Peening [Электронный ресурс] / T. Olshanskaya, D. Trushnikov, A. Dushina, A. Ganeev, A. Polyakov, I. Semenova // Metals. - 2022. - Vol. 12, iss. 1, January. - Art. 82. - 14 p. - URL: www.mdpi.com/2075-4701/12/1/82/htm (дата обращения: 02.08.2023). DOI: 10.3390/met12010082
27. Structure and Mechanical Properties of AlMg Alloy Workpieces in Multilayer Surfacing with Inter-layer Deformation / G.L. Permyakov, D.N. Trushnikov, T.V. Olshanskaya, Y.D. Shchitsyn, M.F. Kartashev, T. Hassel // Russian Engineering Research. - 2022. - Vol. 42, № 10. - P. 1061-1064.
28. Formation of Structure and Properties of Two-Phase Ti-6Al-4V Alloy during Cold Metal Transfer Additive Deposition with Interpass Forging [Электронный ресурс] / Y. Shchitsyn, M. Kartashev, E. Krivonos-ova, T. Olshanskaya, D. Trushnikov // Materials. - 2021. - Vol. 14, iss. 16, August (II). - Art. 4415. - 18 p. -URL: www.mdpi.com/1996-1944/14/16/4415 (дата обращения: 02.08.2023). DOI: 10.3390/ma14164415
29. Characteristics of Structure and Properties of Magnesium Alloys during Plasma Additive Deposition / Y.D. Shchitsyn, E.A. Krivonosova, S.D. Neulybin, R.G. Nikulin, T. Hassel, D.N. Trushnikov // Physical Mesome-chanics. - 2021. - Vol. 24, № 6. - P. 716-723.
30. Механическое поведение конструкционной стали ЭП517Ш при двухосной малоцикловой усталости в условиях нормальных и повышенных температур / Е.В. Ломакин, М.П. Третьяков, А.В. Ильиных, А.В. Лыкова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 1. - С. 77-86.
31. Influence of additional static stresses on biaxial low-cycle fatigue of 2024 aluminum alloy / A.S. Yankin, A.V. Lykova, A.I. Mugatarov, V.E. Wildemann, A.V. Ilinykh // Fracture and Structural Integrity. - 2022. - Vol. 16, № 62. - P. 180-193.
32. Лыкова А.В., Ильиных А.В., Вильдеман В.Э. Прогнозирование циклической долговечности при малоцикловой усталости с использованием нелинейной модели Марко - Старки // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2022. - № 3. - С. 14-22.
33. Nikhamkin M., Ilinykh A. Low cycle fatigue and crack grow in powder nickel alloy under turbine disk wave form loading: Validation of damage accumulation model // Applied Mechanics and Materials. - 2014. -Vol. 467. - P. 312-316. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.467.312
References
1. Kablov E.N. VIAM: new generation materials for PD-14 [VIAM: materialy novogo pokoleniya dlya PD-14]. Krylya Rodiny, 2019, No. 7-8, pp. 54-58.
2. Magerramova L.A., Nozhnitsky Yu.A., Volkov S.A., Volkov M.E., Chepurnov V.Zh., Belov S.V., Verbano I.S., Zaikin S.V. Prospects of application of additive technologies to develop parts and components of gas turbine engines and ramjets. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2019. V. 18, no. 3. P. 81-98. DOI: 10.18287/2541-7533-2019-18-3-81-98
3. Alendar A.D., Lanshin A.I., Evstigneev A.A., Yakubovsky K.Ya., Siluyanova M.V. The problems of creating a propulsion system of a new generation supersonic passenger aircraft (review). Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2023. V. 22, no. 1. P. 7-28. DOI: 10.18287/2541-7533-2023-22-1-7-2
4. Eliseev A.A., Utyaganova V.R., Vorontsov A.V., Ivanov V.V., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. Comparative analysis of structure and mechanical properties of parts produced by electron-beam additive manufacturing and cold metal transfer. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Universities' Proceedings. Non-Ferrous Metallurgy). 2020. No. 4. P. 65-73 (In Russ.). DOI: dx.doi.org/10.17073/0021-3438-2020-4-65-73
5. Dirk Herzog, Additive manufacturing of metals / Vanessa Seyda, Eric Wycisk, Claus Emmelmann // Acta Materialia 117 (2016) 371-392
6. Luca Facchini, Ductility of a Ti-6Al-4V alloy produced by selective laser melting of prealloyed powders/ Emanuele Magalini, Pierfrancesco Robotti, Alberto Molinari, Simon Hoges, Konrad Wissenbach // Rapid Prototyping Journal 16/6 (2010) 450-459
7. John J. Lewandowski, Mohsen Seifi, Metal Additive Manufacturing: A Review of Mechanical Properties // Annu. Rev. Mater. Res. 2016. 46: 14.1-14.36
8. Tarik Hasib, M Fatigue crack growth behavior of laser powder bed fusion additive manufactured Ti-6Al-4V: Roles of post heat treatment and build orientation. / Ostergaard, H.E., Li, X., & Kruzic, J.J. // International Journal of Fatigue, 142 (2021) doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105955
9. Haijun Gong, Influence of defects on mechanical properties of Ti-6Al-4 V components produced by selective laser melting and electron beam melting/ Khalid Rafi, Hengfeng Guc, G.D. Janaki Ramd, Thomas Starr, Brent Stucker // Materials and Design 86 (2015) 545-554
10. Mahmoud, D. The influence of selective laser melting defects on the fatigue properties of Ti6Al4V porosity graded gyroids for bone implants. / Al-Rubaie, K.S., & Elbestawi, M.A. // International Journal of Mechanical Sciences, 193 (2021) doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.106180
11. Xie, C. Defect-correlated fatigue resistance of additively manufactured al-Mg4.5Mn alloy with in situ micro-rolling. / Wu, S., Yu, Y., Zhang, H., Hu, Y., Zhang, M., & Wang, G. // Journal of Materials Processing Technology, 291 (2021) doi: 10.1016/jjmatprotec.2020.117039
12. Fedorenko, A.; Fedulov, B.; Kuzminova, Y.; Evlashin, S.; Staroverov, O.; Tretyakov, M.; Lomakin, E.; Akhatov, I. Anisotropy of Mechanical Properties and Residual Stress in Additively Manufactured 316L Specimens. Materials 2021, 14, 7176. https://doi.org/10.3390/ma14237176
13. Ilinykh A.V., Pankov A.M., Feclistova E.V., Strungar E.M., Permyakov G.L. Analysis of the implementation of elastic properties of deposited stainless steel 316LSi / Book of Abstracts. XXIII Winter School on Continuum Mechanics February 13-17, 2023, Perm. - 2023. - P. 145
14. Ilinykh A.V. Mechanical tensile properties of X12CrNiTi-18-10 steel, obtained by the method of selective laser melting // PNRPU Aerospace Engineering Bulletin. - 2018. - Vol. 55. - P. 103-109. DOI: 10.15593/2224-9982/2018.55.11
15. Ryzhkov, P.V., Suhov, D.I., Hodinev, I.A. et al. High Temperature Low Cycle Fatigue of Co-Cr-Ni-W-Ta Heat Resistant Alloy Produced by Additive Technological Processes. Inorg. Mater. Appl. Res. 13, 1719-1726 (2022). https://doi.org/10.1134/S2075113322060211
16. Biddlecom, J., Li, Y., Zhao, X. et al. Femtosecond Laser Shock Peening Residual Stress and Fatigue Life of Additive Manufactured AlSi10Mg. JOM 75, 1964-1974 (2023). https://doi.org/10.1007/s11837-023-05820-8
17. Zhang, X., Lu, Q., Zhang, P. et al. Microstructure and Fatigue Properties of Ti-48Al Alloy Fabricated by the Twin-Wire Plasma Arc Additive Manufacturing. J. of Materi Eng and Perform 31, 8250-8260 (2022). https://doi.org/10.1007/s11665-022-06847-9
18. Duraisamy, R., Kumar, S.M., Kannan, A.R. et al. Fatigue Behavior of Austenitic Stainless Steel 347 Fabricated via Wire Arc Additive Manufacturing. J. of Materi Eng and Perform 30, 6844-6850 (2021). https://doi.org/10.1007/s11665-021-06033-3
19. Pribe, J.D., Richter, B., Leser, P.E. et al. A Process-Structure-Property Simulation Framework for Quantifying Uncertainty in Additive Manufacturing: Application to Fatigue in Ti-6Al-4V. Integr Mater Manuf Innov 12, 231-250 (2023). https://doi.org/10.1007/s40192-023-00303-9
20. Bao, H. A machine-learning fatigue life prediction approach of additively manufactured metals. / Wu, S., Wu, Z., Kang, G., Peng, X., & Withers, P. J. // Engineering Fracture Mechanics, 242 (2021) doi: 10.1016/j.engfracmech.2020.107508
21. Zhan, Z., & Li, H. Machine learning based fatigue life prediction with effects of additive manu-factoring process parameters for printed SS 316L. / International Journal of Fatigue, 142 (2021) doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105941
22. Kahlin, M., Ansell, H., Moverare, J.J., Fatigue behaviour of notched additive manufactured Ti6Al4V with as-built surfaces, International Journal of Fatigue (2017), doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2017.04.009
23. Hassanifard, S., Adibeig, M.R. & Hashemi, S.M. Determining strain-based fatigue parameters of ad-ditively manufactured Ti-6Al-4V: effects of process parameters and loading conditions. Int J Adv Manuf Tech-nol 121, 8051-8063 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-09907-5
24. Hassanifard, S., Behdinan, K. Effects of voids and raster orientations on fatigue life of notched additively manufactured PLA components. Int J Adv Manuf Technol 120, 6241-6250 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-09169-1
25. Xizhang Chen, Su, C., Wang, Y. et al. Cold Metal Transfer (CMT) Based Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) System. J. Surf. Investig. 12, 1278-1284 (2018). https://doi.org/10.1134/S102745101901004X
26. Microstructure and Properties of the 308LSi Austenitic Steel Produced by Plasma-MIG Deposition Welding with Layer-by-Layer Peening / T. Olshanskaya, D. Trushnikov, A. Dushina, A. Ganeev, A. Polyakov, I. Semenova // Metals. - 2022 - Vol. 12, Iss. 1, January. - Art. 82. - 14 p. - URL: www.mdpi.com/2075-4701/12/1/82/htm. - DOI 10.3390/met12010082.
27. Structure and Mechanical Properties of AlMg Alloy Workpieces in Multilayer Surfacing with Inter-layer Deformation / G.L. Permyakov, D.N. Trushnikov, T.V. Olshanskaya, Y.D. Shchitsyn, M.F. Kartashev, T. Hassel // Russian Engineering Research. - 2022 - Vol. 42, № 10 - P. 1061-1064.
28. Formation of Structure and Properties of Two-Phase Ti-6Al-4V Alloy during Cold Metal Transfer Additive Deposition with Interpass Forging / Y. Shchitsyn, M. Kartashev, E. Krivonosova, T. Olshanskaya, D. Trushnikov // Materials. - 2021 - Vol. 14, Iss. 16, August (II). - Art. 4415 - 18 p. - URL: www.mdpi.com/1996-1944/14/16/4415. - DOI 10.3390/ma14164415.
29. Characteristics of Structure and Properties of Magnesium Alloys during Plasma Additive Deposition / Y.D. Shchitsyn, E.A. Krivonosova, S.D. Neulybin, R.G. Nikulin, T. Hassel, D.N. Trushnikov // Physical Me-somechanics. - 2021 - Vol. 24, № 6 - P. 716-723.
30. Lomakin E.V., Tretyakov M.P., Ilinykh A.V., Lykova A.V. Mechanical behavior of X15CrNi12-2 structural steel under biaxial lowcycle fatigue at normal and elevated temperatures. PNRPU Mechanics Bulletin, 2019, no. 1, pp. 77-86. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.07
31. A.S. Yankin, A.V. Lykova, A.I. Mugatarov, V.E. Wildemann, A.V. Ilinykh Influence of additional static stresses on biaxial low-cycle fatigue of 2024 aluminum alloy // Fracture and Structural Integrity. - 2022. -Vol. 16, № 62. - pp. 180-193.
32. Lykova A.V., Ilinykh A.V., Wildemann V.E. Cycle life prediction under low cycle fatigue using nonlinear Marco - Starkey model // PNRPU Mechanics Bulletin, 2022, no. 3, pp. 14-22. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.02
33. Nikhamkin, M. Low cycle fatigue and crack grow in powder nickel alloy under turbine disk wave form loading: Validation of damage accumulation model / M. Nikhamkin, A. Ilinykh // Applied Mechanics and Materials. - 2014. - Vol. 467. - P. 312-316. - DOI 10.4028/www.scientific.net/AMM.467.312.
Об авторах
Ильиных Артем Валерьевич (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение», старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, е-mail: ilinih@yandex.ru).
Паньков Александр Михайлович (Пермь, Российская Федерация) - младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, е-mail: cem.pankov@gmail.com).
Лыкова Анастасия Васильевна (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение», младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, е-mail: cem.lykova@gmail.ru).
Пермяков Глеб Львович (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, научный сотрудник Лаборатории методов создания и проектирования систем «материал - технология - конструкция», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, е-mail: gleb.permyakov@yandex.ru).
About the authors
Artem V. Ilinykh (Perm, Russian Federation) - PhD in Technical Sciences, Senior Researcher, Center for Experimental Mechanics, Ass. Professor, Department of Experimental Mechanics and Structural Materials Science, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: ilinih@yandex.ru).
Alexandr M. Pankov (Perm, Russian Federation) - Junior Researcher, Center for Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: cem.pankov@gmail.com).
Anastasiya V. Lykova (Perm, Russian Federation) - PhD in Technical Sciences, Junior Researcher, Center for Experimental Mechanics, Ass. Professor, Department of Experimental Mechanics and Structural Materials Science, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: cem.lykova@gmail.ru).
Gleb L. Permyakov (Perm, Russian Federation) - PhD in Technical Sciences, Researcher, Laboratory of Methods for Creating and Designing Material-Technology-Construction Systems, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., 614990, Perm, e-mail: gleb.permyakov@yandex.ru).
Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 23-29-00900).
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.
Поступила: 04.12.2023
Одобрена: 04.12.2023
Принята к публикации: 11.12.2023
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Экспериментальное исследование циклической долговечности аддитивного титанового сплава ВТ6 в условиях концентрации напряжений / А.В. Ильиных, А.М. Паньков, А.В. Лыкова, Г.Л. Пермяков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2023. - № 75. - С. 120-132. DOI: 10.15593/22249982/2023.75.10
Please cite this article in English as: Ilinykh A.V., Pankov A.M., Lykova A.V., Permyakov G.L. Experimental study of additive titanium alloy TI-6AL-4V cyclic durability under conditions of stress concentration. PNRPUAerospace Engineering Bulletin, 2023, no. 75, pp. 120-132. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.10
