Властивості решітчастих структур Ti-6Al-4V із in-situ легуванням та функціональним градієнтом

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorКирилаха, С. В.
dc.date.accessioned2026-02-20T10:29:55Z
dc.date.available2026-02-20T10:29:55Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractПроблематика. Об’єктом дослідження є решітчасті структури з титанових сплавів Ti-6Al-4V, виготовлені за допомогою методів selective laser melting (SLM) та laser powder bed fusion (LPBF), включно з in-situ легованими та функціонально градієнтними варіантами. Проблема полягає у відсутності систематизованих даних щодо взаємозв’язку технологічних параметрів процесу адитивного виробництва, мікроструктури матеріалу та його механічних властивостей, що обмежує застосування таких матеріалів у авіаційній та космічній промисловості. Мета дослідження. Визначення впливу in-situ легування та функціонального градієнту решітчастих структур на формування мікроструктури, модуль пружності, міцність і енергопоглинальні властивості Ti-6Al-4V, отриманого методом SLM/LPBF. Методика реалізації. Експериментальні зразки з Ti-6Al-4V–3 % Cr виготовлялися шляхом SLM/LPBF із контрольованими параметрами енергетичної щільності та сканування. Для оцінки структури застосовували рентгенівську дифрактометрію (XRD), електронну мікроскопію (SEM, EBSD, EDS), а також аналіз геометрії решітчастих структур. Паралельно використовували комп’ютерне моделювання методом кінцевих елементів (FEM) для прогнозування механічної поведінки. Результати дослідження. Отримані результати демонструють, що in-situ легування Cr дозволяє стабілізувати b-фазу та контролювати розподіл a + b мікроструктури, підвищуючи міцність та жорсткість сплаву (UTS до 1050 МПа, відносне видовження 8–10 %). Решітчасті структури еліптичної та спіральної геометрії показали максимальний модуль пружності 0,76 ГПа та 0,41 ГПа відповідно, при одночасному зниженні маси конструкцій. Функціонально градієнтні решітчасті структури із змінним діаметром стержнів (1–1,2 мм) забезпечили більш ефективне передавання напружень і контрольовану локальну жорсткість. Спостережений ефект пояснюється впливом підготовки підкладки та циклічного нагріву під час LPBF, що сприяло дифузійному розпаду мартенситу a¢, стабілізації b-фази та зменшенню концентрацій напружень у критичних ділянках решітки. Висновки. Особливістю роботи є поєднання in-situ легування та функціонального градієнту геометрії, що дозволяє досягти оптимального співвідношення міцність/маса, підвищити енергопоглинальні властивості матеріалу та забезпечити контрольовану механічну відповідь по всьому об’єму деталі. Сфера практичного застосування охоплює авіаційну й космічну техніку, де критично важливе зменшення маси при високій жорсткості та міцності деталей, а також можливе використання у структурних компонентах із підвищеною вимогою до стійкості до локальних навантажень.
dc.description.abstractotherProblem statement. The object of research is lattice structures made of Ti-6Al-4V titanium alloys, manufactured using selective laser melting (SLM) and laser powder bed fusion (LPBF), including in-situ alloyed and functionally graded variants. The problem lies in the lack of systematized data on the relationship between process parameters of additive manufacturing, the resulting microstructure, and mechanical properties, which limits the application of such materials in aerospace industry. Purpose of the study. To determine the influence of in-situ alloying and functional gradient lattice structures on the formation of microstructure, elastic modulus, strength, and energy absorption capacity of Ti-6Al-4V produced by SLM/LPBF. Methodology. Experimental specimens of Ti-6Al-4V–3 % Cr were fabricated by SLM/LPBF under controlled energy density and scanning parameters. The structure was analyzed using X-ray diffraction (XRD), electron microscopy (SEM, EBSD, EDS), and lattice geometry evaluation. In parallel, finite element modelling (FEM) was applied to predict mechanical behavior. Results. The results demonstrate that in-situ alloying with Cr stabilizes the b-phase and controls the distribution of a + b microstructure, thereby increasing alloy strength and stiffness (UTS up to 1050 MPa, elongation 8–10 %). Lattice structures of elliptical and spiral geometry exhibited maximum elastic moduli of 0.76 GPa and 0.41 GPa respectively, while reducing structural mass. Functionally graded lattices with variable strut diameter (1–1.2 mm) ensured more efficient stress transfer and controlled local stiffness. The effect is attributed to substrate preparation and cyclic heating during LPBF, which promoted a¢ martensite decomposition, b-phase stabilization, and stress reduction in critical regions. Conclusions. The novelty of the study lies in the combination of in-situ alloying and functional geometry gradient, which enables achieving an optimal strength-to-weight ratio, improving energy absorption, and providing controlled mechanical response throughout the component volume. Potential applications cover aerospace engineering, where weight reduction under high stiffness and strength is crucial, as well as structural elements with increased resistance to local loading.
dc.format.pagerangeP. 469–482
dc.identifier.citationКирилаха, С. В. Властивості решітчастих структур Ti-6Al-4V із in-situ легуванням та функціональним градієнтом / С. В. Кирилаха // Mechanics and Advanced Technologies. – 2025. – Vol. 9, No. 4(107). – P. 469–482. – Bibliogr.: 20 ref.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/2521-1943.2025.9.4(107).339736
dc.identifier.orcid0009-0001-5688-5616
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78911
dc.language.isouk
dc.publisherIgor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
dc.publisher.placeKyiv
dc.relation.ispartofMechanics and Advanced Technologies, Vol. 9, No. 4(107)
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectрешітчасті структури
dc.subjectTi-6Al-4V
dc.subjectSLM
dc.subjectLPBF
dc.subjectin-situ легування
dc.subjectфункціонально градієнтні матеріали
dc.subjectмеханічні властивості
dc.subjectмодуль пружності
dc.subjectміцність
dc.subjectанізотропія
dc.subjectlattice structures
dc.subjectTi-6Al-4V
dc.subjectSLM
dc.subjectLPBF
dc.subjectin-situ alloying
dc.subjectfunctionally graded materials
dc.subjectmechanical properties
dc.subjectelastic modulus
dc.subjectstrength
dc.subjectanisotropy
dc.subject.udc669.715:621.791.:620.1.56
dc.titleВластивості решітчастих структур Ti-6Al-4V із in-situ легуванням та функціональним градієнтом
dc.title.alternativeProperties of Ti-6Al-4V Lattice Structures with In-Situ Alloying and Functional Gradient
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
469–482.pdf
Розмір:
1.46 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Mechanics and Advanced Technologies, Vol. 9, No. 4(107)