Elastic Property Anisotropy in Inconel 718 Alloy Specimens Fabricated by Wire Arc Additive Manufacturing

Editorial Board PCSS Journal; В.В. Усов; Н.М. Шкатуляк; С.І. Іовчев; Д.В. Павленко; Д.Е. Молочков; Р.А. Куликовський

doi:10.15330/pcss.27.1.206-214

Автор(и)

В.В. Усов Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К. Д. Ушинського, Одеса, Україна
Н.М. Шкатуляк Південноукраїнський національний педагогічний університет імені К. Д. Ушинського, Одеса, Україна
С.І. Іовчев Одеський національний морський університет, Одеса, Україна
Д.В. Павленко Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
Д.Е. Молочков Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна
Р.А. Куликовський Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.206-214

Ключові слова:

дротяно-дугове адитивне виробництво, кристалографічна текстура, жароміцний сплав Inconel 718, інверсні полюсні фігури, анізотропія

Анотація

Досліджено анізотропію пружних властивостей зразків зі сплаву Inconel 718, отриманих за технологією адитивного виробництва з використанням дротяної дуги (WAAM). Вивчено кристалографічну текстуру зразків методом обернених полюсних фігур, знятих у трьох взаємно перпендикулярних напрямках: у напрямку складання шарів, напрямку сканування і перпендикулярному до них напрямку. Встановлено, що текстура може бути описана комбінацією ідеальних орієнтировок з розсіянням. На основі констант пружності монокристалів сплаву та даних полюсної густини на обернених полюсних фігурах, оцінено модуль Юнга, модуль зсуву і коефіцієнт Пуассона у трьох взаємно перпендикулярних напрямках. Виявлено, що величина модуля Юнга у напрямку, перпендикулярному напрямку складання шарів, нижча (в середньому на 10-11%) порівняно з паралельними напрямками, тоді як значення модуля зсуву та коефіцієнта Пуассона, навпаки, вищі. Показано, що кристалографічна текстура є основною причиною анізотропії механічних властивостей досліджуваних зразків. Раціональне використання кристалографічної текстури при виготовленні зразків за технологією WAAM дозволяє отримати деталі з оптимальним поєднанням механічних характеристик.

Посилання

D. Pavlenko, Y. Dvirnyk, & R. Przysowa, Advanced materials and technologies for compressor blades of small turbofan engines. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1024(1), 012061 (2021); https://doi.org/10.1088/1757-899X/1024/1/012061.

L.P. Raut, R.V. Taiwade, Wire Arc Additive Manufacturing: A Comprehensive Review and Research Directions, J. Mater. Eng. Perform. 30, 4768 (2021);. https://doi.org/10.1007/s11665-021-05871-5.

ISO/ASTM 52900:2021(en) Additive manufacturing – General principles – Fundamentals and vocabulary. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:ed-2:v1:en.

D.G. Ahn, Directed Energy Deposition (DED) Process: State of the Art. Int. J. of Precis. Eng. and Manuf.-Green Tech. 8, 703 (2021); https://doi.org/10.1007/s40684-020-00302-7.

Saboori Abdollah, Alberta Aversa, Giulio Marchese, Sara Biamino, Mariangela Lombardi, and Paolo Fino. Application of Directed Energy Deposition-Based Additive Manufacturing in Repair, Applied Sciences, 9(16); 3316 (2019); https://doi.org/10.3390/app9163316.

RAMLAB. WAAM 101. https://www.ramlab.com/resources/waam-101/#down

M.N. Mahdi, A.R. Ahmad, H. Natiq, M.A. Subhi, & Q.S. Qassim, Comprehensive Review and Future Research Directions on Dynamic Faceted Search. Applied Sciences, 11(17), 8113 (2020); https://doi.org/10.3390/app11178113.

K. Amato, S. Gaytan, L. Murr, E. Martinez, P. Shindo, J. Hernandez, S. Collins, & F. Medina, Microstructures and mechanical behavior of Inconel 718 fabricated by selective laser melting. Acta Materialia, 60(5), 2229 (2012); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.12.032.

X. Xu, J. Ding, S. Ganguly, & S. Williams, Investigation of process factors affecting mechanical properties of INCONEL 718 superalloy in wire + arc additive manufacture process. Journal of Materials Processing Technology, 265, 201 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.10.023.

C. Fuchs, D. Baier, T. Semm et al. Determining the machining allowance for WAAM parts. Prod. Eng. Res. Devel. 14, 629 (2020); https://doi.org/10.1007/s11740-020-00982-9.

Y. Manurung, K.P. Prajadhiana, M.S. Adenan et al., Analysis of material property models on WAAM distortion using nonlinear numerical computation and experimental verification with P-GMAW. Archiv.Civ.Mech.Eng 21, 32 (2021); https://doi.org/10.1007/s43452-021-00189-4.

S.R. Singh & P. Khanna, Wire arc additive manufacturing (WAAM): A new process to shape engineering materials. Materials Today: Proceedings, 44, 118 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.08.030.

V. Laghi et al., Experimental results for structural design of Wire-and-Arc Additive Manufactured stainless steel members, Journal of Constructional Steel Research. 167, 1 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.105858.

N. Hadjipantelis, B. Weber, C. Buchanan, L. Gardner, Description of anisotropic material response of wire and arc additively manufactured thin-walled stainless steel elements. Thin-Walled Structures. 171,108634 (2022); https://www.researchgate.net/publication/354300686_Characterisation_of_the_anisotropic_response_of_wire_and_arc_additively_manufactured_stainless_steel.

P. Kyvelou, H. Slack, D. Daskalaki Mountanou, M.A. T. Wadee Britton Ben, C. Buchanan, L. Gardner Mechanical and microstructural testing of wire and arc additively manufactured sheet material. Materials and Design. 192, 108675 (2020); https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520302094?

via%3Dihub.

L. Zhang, R. Barrett, P. Cloetens, C. Detlefs, and M. Sanchez del Rio, Anisotropic elasticity of silicon and its application to the modelling of X-ray optics, J. of Synchrotron Radiation.21 (3), 507 (2014); https://doi.org/10.1107/S1600577514004962.

P. Kyvelou, H. Slack, D. Daskalaki Mountanou, M.A. Wadee, T.B. Britton, C. Buchanan, & L. Gardner, Mechanical and microstructural testing of wire and arc additively manufactured sheet material. Materials & Design, 192, 108675 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108675.

Instrument X-ray Optics: Reflection Geometry. URL: http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/inst1/optics1.htm.

P.R. Morris, Reducing the Effects of Nonuniform Pole Distribution in Inverse Pole Figure Studies. Journal of Applied Physics, 30, 595 (1959); https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.1702413.

Ya.D. Vishnyakov, Teoriya Obrazovaniya Tekstur v Metallakh i Splavakh [The Theory of Texture Formation in Metals and Alloys] (Moskva: Nauka: 1979) (in Russian)

S. Singh, I.A. Palani, C.P. Paul, A. Funk, & P.K. Gokuldoss, Wire Arc Additive Manufacturing of NiTi 4D Structures: Influence of Interlayer Delay. 3D Printing and Additive Manufacturing, 11(1), 152 (2024); https://doi.org/10.1089/3dp.2021.0296.

M. Sundararaman, P. Mukhopadhyay, & S. Banerjee, Deformation behaviour of γ″ strengthened inconel 718. Acta Metallurgica, 36(4), 847 (1988); https://doi.org/10.1016/0001-6160(88)90139-3.

P. Patra, S. Dey, N. Gayathri, & P. Mukherjee, Influence of alloying elements on stacking fault energy in Ni and Ni-based alloy: A first–principles study. Computational and Theoretical Chemistry, 1240, 114815 (2024); https://doi.org/10.1016/j.comptc.2024.114815.

J. Slakhorst, The development of recrystallization textures in F.C.C. Metals with a low stacking fault energy. Acta Metallurgica, 23(3), 301 (1975); https://doi.org/10.1016/0001-6160(75)90122-4.

B. Lan, Y. Wang, Y. Liu, P. Hooper, C. Hopper, G. Zhang, X. Zhang, & J. Jiang, The influence of microstructural anisotropy on the hot deformation of wire arc additive manufactured (WAAM) Inconel 718. Materials Science and Engineering: A, 823, 141733 (2021); https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141733.

P. Aba-Perea, T. Pirling, P. Withers, J. Kelleher, S. Kabra, & M. Preuss, Determination of the high temperature elastic properties and diffraction elastic constants of Ni-base superalloys. Materials & Design, 89, 856 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.09.152.

J. Everaerts, C. Papadaki, W. Li, & A.M. Korsunsky, Evaluation of single crystal elastic stiffness coefficients of a nickel-based superalloy by electron backscatter diffraction and nanoindentation. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 131, 303 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.07.011.

L. Zhang, R. Barrett, P. Cloetens, C. Detlefs, & M. Sanchez del Rio, Anisotropic elasticity of silicon and its application to the modelling of X-ray optics. Journal of Synchrotron Radiation, 21(3), 507 (2014); https://doi.org/10.1107/S1600577514004962.

T. Obermayer, C. Krempaszky, and E. Werner, Analysis of texture and anisotropic elastic properties of additively manufactured Ni-base alloys. Metals. 12(11), 1991 (2022); https://doi.org/10.3390/met12111991.

P. Haldipur, F.J. Margetan, and R.B. Thompson, Estimation of single-crystal elastic cons¬tants from ultrasonic measurements on polycrystalline specimens. AIP Conf. Proc. 700(1), 1061 (2004); https://doi.org/10.1063/1.1711735.

G. Martin, N. Ochoa, K. Sai, E. Hervé-Luanco, and G. Cailletaud, A multiscale model for the elastoviscoplastic behavior of directionally solidified alloys: application to FE structural computations, Int. J. of Solids and Struct. 51(5), 1175 (2014); https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.12.013.

S. Jothi, S. V. Merzlikin, T. N. Croft, J. Andersson, and S. G. R. Brown, An investigation of micro-mechanisms in hydrogen induced cracking in nickel-based super-alloy 718, J. of Alloys and Compounds. 664, 664 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.01.033.

P. Aba-Perea, T. Pirling, P. Withers, J. Kelleher, S. Kabra, and M. Preuss, Determination of the high temperature elastic properties and diffraction elastic constants of Ni-base superalloys, Materials & Design. 89(5), 856 (2016); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.09.152.

J.F. Nye, Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices. Oxford: Clarendon Press, 322 (1985); https://vdoc.pub/download/physical-properties-of-crystals-their-representation-by-tensors-and-matrices-3ib3oss7ne9g.

V. Laghi, L. Tonelli, M. Palermo, M. Bruggi, R. Sola, L. Ceschini, & T. Trombetti, Experimentally-validated orthotropic elastic model for Wire-and-Arc Additively Manufactured stainless steel. Additive Manufacturing, 42, 101999 (2021); https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860421001640.

V.V. Usov, N.M. Shkatuliak, D.V. Pavlenko, et al., Anisotropy of Elastic Properties of Inconel 718 Alloy Specimens Obtained by 3D Printing. Mater Sci, 59, 414 (2023); https://doi.org/10.1007/s11003-024-00792-9.

K. Kunze, T. Etter, J. Grässlin, & V. Shklover, Texture, anisotropy in microstructure and mechanical properties of IN738LC alloy processed by selective laser melting (SLM). Materials Science and Engineering: A, 620, 213 (2015); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.10.003.

R.V.K. Honeycombe, The Plastic Deformation of Metals. London: Edward Arnold Ltd. Publ.: (1984); https://archive.org/details/plasticdeformati0000hone_c4v2/page/n5/mode/2up?view=theater.

U. Alonso, F. Veiga, A. Suárez, & A. Gil Del Val, Characterization of Inconel 718® superalloy fabricated by wire Arc Additive Manufacturing: Effect on mechanical properties and machinability. Journal of Materials Research and Technology, 14, 2665 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.132.

T. Bhujangrao, F. Veiga, A. Suárez, E. Iriondo, & F.G. Mata, High-Temperature Mechanical Properties of IN718 Alloy: Comparison of Additive Manufactured and Wrought amples. Crystals, 10(8), 689. (2020); https://doi.org/10.3390/cryst10080689.

V. Santhosh, N. Babu, A Study on Microstructure and Mechanical Properties of Inconel 718 Superalloy Fabricated by Novel CMT-WAAM Process. Materials Research, 27, e20230258 (2024; https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2023-0258.