blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-5-482-487blackmet-2964Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEЗависимость структуры и свойств сплава ВТ23 от параметров лазерного выращиванияDependence of structure and properties of VT23 alloy on laser deposition parametershttps://orcid.org/0000-0002-2811-8292СафароваД. Э.SafarovaD. E.

Дарья Эйнуллаевна Сафарова, младший научный сотрудник, аспирант кафедры машиностроительных технологий

Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Daria E. Safarova, Junior Researcher, Postgraduate of the Chair of Engineering Technology

6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow 117198, Russian Federation

safarova_de@pfur.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6205-3154БазалееваК. О.BazaleevaK. O.

Ксения Олеговна Базалеева, к.ф.-м.н., заместитель директора центра аддитивных и порубежных технологий

Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Kseniya O. Bazaleeva, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Deputy Director of Additive and Edge Technologies Centre

6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow 117198, Russian Federation

bazaleeva-ko@rudn.ruhttps://orcid.org/0009-0000-1094-3529ПонкратоваЮ. Ю.PonkratovaYu. Yu.

Юлия Юрьевна Понкратова, научный сотрудник

Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Yuliya Yu. Ponkratova, Research Associate

6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow 117198, Russian Federation

ponkratova_yuyu@rudn.ruhttps://orcid.org/0009-0008-7394-6370АлексеевА. В.AlekseevA. V.

Андрей Васильевич Алексеев, инженер-технолог центра аддитивных и порубежных технологий

Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6

Andrei V. Alekseev, Engineer-Technologist of Additive and Edge Technologies Centre

6 Miklukho-Maklaya Str., Moscow 117198, Russian Federation

alexeev-anvs@rudn.ruРоссийский университет дружбы народов им. Патриса ЛумумбыРоссияPeoples’ Friendship University of Russia named after Patrice LumumbaRussian Federation202508112025685482487Copyright © Сафарова Д.Э., Базалеева К.О., Понкратова Ю.Ю., Алексеев А.В., 20252025Сафарова Д.Э., Базалеева К.О., Понкратова Ю.Ю., Алексеев А.В.Safarova D.E., Bazaleeva K.O., Ponkratova Y.Y., Alekseev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2964

В данном исследовании проведен анализ влияния мощности лазера и скорости его перемещения на структурно-фазовое состоя­ние и свойства сложнолегированного титанового сплава ВТ23, полученного методом прямого лазерного выращивания. Титановый сплав BT23 обладает уникальным сочетанием прочности, коррозионной стойкости и биосовместимости, что делает его востребованным в аэрокосмической и медицинской отраслях. Однако традиционные методы производства (литье, штамповка) часто не обеспечивают необходимой точности и качества сложных деталей. В данной работе методами рентгенофазового анализа и оптической металлографии установлено, что выращенные образцы состоят из α- и β-фаз (~20 % β-фазы) с характерной структурой «корзиночного плетения». В макроструктуре полученных образцов зафиксированы полосы термического воздействия и межслоевые границы, образование которых связано с особенностями процесса кристаллизации при прямом лазерном выращивании. Результаты оптической металлографии показали, что микроструктура выращенного материала сочетает в себе крупные столбчатые кристаллы в местах перекрытия двух соседних слоев, а также мелкие равноосные зерна. Несмотря на такое распределение структурных составляющих микротвердость (~488 HV0,2 ) остается однородной по всему объему напечатанных образцов как в направлении сканирования лазера, так и в направлении выращивания образца. Результаты подтверждают, что прямое лазерное выращивание позволяет получать заготовки из титанового сплава BT23 с контролируе­мой микроструктурой. Оптимизация параметров процесса прямого лазерного выращивания минимизирует вероятность образования дефектов и обеспечивает стабильные механические свойства, что открывает перспективы для применения технологии в производстве ответственных деталей.

The study analyzes the effect of laser power and velocity on the structural phase state and properties of complex-alloyed titanium alloy VT23 (Ti–Al–V–Mo–Cr–Fe) obtained by direct laser deposition. VT23 titanium alloy has a unique combination of strength, corrosion resistance, and biocompatibility, which makes it in demand in the aerospace and medical industries. However, traditional manufacturing methods (casting, stamping) often fail to provide the required accuracy and quality of complex parts. In this work, X-ray phase analysis and optical metallography revealed that the deposited samples consist of α- and β-phases (~20 % β-phase) with a typical “basket weave” structure. In macrostructure of the obtained samples, thermal bands and interlayer boundaries were recorded, the formation of which is associated with the peculiarities of crystallization process during direct laser deposition. The results of optical metallography showed that microstructure of the deposited material combines large columnar crystals in the overlap areas of two adjacent layers, as well as small equiaxed grains. Despite this distribution of structural components, the microhardness (~488 HV0.2 ) remains homogeneous throughout the deposited samples in both the laser scanning and sample deposition directions. The results confirm that direct laser deposition can be used to produce VT23 titanium alloy parts with a controlled microstructure. Optimization of the process parameters of direct laser deposition minimizes the probability of defect formation and provides stable mechanical properties, which opens prospects for application of the technology in the production of critical parts.

аддитивные технологиипрямое лазерное выращиваниетитановые сплавысложные сплавымикроструктурафазовый составмеханические свойстваadditive technologiesdirect laser depositiontitanium alloyscomplex alloysmicrostructurephase compositionmechanical propertiesРабота выполнена в рамках проекта НИР № 202514-0-000 Системы грантовой поддержки научных проектов РУДН.The work was performed within the framework of the research project No. 202514-0-000 of the Scientific Project Grant Support System of the Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba.ReferencesБелов С.П., Брун М.Я., Глазунов С.Г., Колачев Б.А. Металловедение титана и его сплавов. Москва: Металлургия; 1992:352.Belov S.P., Brun M.Ya., Glazunov S.G., Kolachev B.A. Metallurgy of Titanium and Its Alloys. Moscow: Metallurgiya; 1992:352 p. (In Russ.).Хорев А.И. Комплексное легирование и термомеханическая обработка титановых сплавов. Москва: Машиностроение; 1979:228.Khorev A.I. Complex Alloying and Thermomechanical Processing of Titanium Alloys. Moscow: Mashinostroenie; 1979:228. (In Russ.).Хорев А.И. Теория легирования и термической обработки конструкционных (α+β)-титановых сплавов высокой и сверхвысокой прочности. Вестник машиностроения. 2010;(7):32–39.Khorev A.I. Theory of alloying and heat treatment of high and ultra-high strength (α+β)-titanium alloys. Vestnik mashinostroeniya. 2010;(7):32–39. (In Russ.).Jiang J., Liang C., Chen Y., Wang Y., Cui H., Xu J., Zhang D.Z. The influence of process parameters on the density, microstructure, and mechanical properties of TA15 titanium alloy fabricated by selective laser melting. Metals. 2025;15(3):233. https://doi.org/10.3390/met15030233Jiang J., Liang C., Chen Y., Wang Y., Cui H., Xu J., Zhang D.Z. The influence of process parameters on the density, microstructure, and mechanical properties of TA15 titanium alloy fabricated by selective laser melting. Metals. 2025;15(3):233. https://doi.org/10.3390/met15030233Fang Y., Dai G., Guo Y., Sun Z., Liu H., Yuan Q. Effect of laser oscillation on the microstructure and mechanical pro­perties of laser melting deposition titanium alloys. Acta Metal­lurgica Sinica. 2022;59(1):136–146. https://doi.org/10.11900/0412.1961.2021.00600Fang Y., Dai G., Guo Y., Sun Z., Liu H., Yuan Q. Effect of laser oscillation on the microstructure and mechanical pro­perties of laser melting deposition titanium alloys. Acta Metal­lurgica Sinica. 2022;59(1):136–146. https://doi.org/10.11900/0412.1961.2021.00600Liu Z., He B., Lyu T., Zou Y. A review on additive manu­facturing of titanium alloys for aerospace applications: Directed energy deposition and beyond Ti-6Al-4V. JOM. 2021;73:1804–1818. https://doi.org/10.1007/s11837-021-04670-6Liu Z., He B., Lyu T., Zou Y. A review on additive manu­facturing of titanium alloys for aerospace applications: Directed energy deposition and beyond Ti-6Al-4V. JOM. 2021;73:1804–1818. https://doi.org/10.1007/s11837-021-04670-6Zhu Y., Tian X., Li J., Wang H. Microstructure evolution and layer bands of laser melting deposition Ti–6.5 Al–3.5 Mo–1.5 Zr–0.3 Si titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2014;616:468–474. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.07.161Zhu Y., Tian X., Li J., Wang H. Microstructure evolution and layer bands of laser melting deposition Ti–6.5 Al–3.5 Mo–1.5 Zr–0.3 Si titanium alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2014;616:468–474. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.07.161Гладковский С.В., Веселова В.Е., Пацелов А.М., Хотинов В.А. Влияние деформационной стабильности β-фазы в титановом сплаве ВТ23 на фазовый состав, структуру и механические свойства при растяжении и ударном изгибе. Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019;21(4):26–33. https://doi.org/10.15593/2224-9877/2019.4.03Gladkovskii S.V., Veselova V.E., Patselov A.M., Khotinov V.A. The influence of deformation stability of β-phase in titanium alloy BT23 on the phase composition, microstructure, and mechanical properties after tension and impact test. Vestnik Permskogo natsional’nogo issledovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2019;21(4):26–33. (In Russ.). https://doi.org/10.15593/2224-9877/2019.4.03Dang L., He X., Tang D., Wu B., Li Y. A fatigue life posterior analysis approach for laser-directed energy deposition Ti-6Al-4V alloy based on pore-induced failures by kernel ridge. Engineering Fracture Mechanics. 2023;289:109433. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109433Dang L., He X., Tang D., Wu B., Li Y. A fatigue life posterior analysis approach for laser-directed energy deposition Ti-6Al-4V alloy based on pore-induced failures by kernel ridge. Engineering Fracture Mechanics. 2023;289:109433. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109433Ravi G.A., Qiu C., Attallah M.M. Microstructural control in a Ti-based alloy by changing laser processing mode and power during direct laser deposition. Materials Letters. 2016;179:104–108. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.05.038Ravi G.A., Qiu C., Attallah M.M. Microstructural control in a Ti-based alloy by changing laser processing mode and power during direct laser deposition. Materials Letters. 2016;179:104–108. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.05.038ОСТ 1-90013–81. Отраслевой стандарт. Титановые сплавы. Марки. Срок введения с 01.07.1981. Москва: ВИАМ; 1981:7.OST 1-90013–81. Industry Standard. Titanium Alloys. Grades. Moscow: VIAM; 1981:7. (In Russ.).Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Третьяков Р.С. Анализ влияния параметров коаксиальной лазерной наплавки на формирование валиков. Технология машиностроения. 2011;(11):19–21.Grigor’yants A.G., Misyurov A.I., Tret’yakov R.S. Analysis of the influence of coaxial laser cladding parameters on bead formation. Tekhnologiya mashinostroeniya. 2011;(11): 19–21. (In Russ.).Gibson I., Rosen D., Stucker B., Khorasani M. Additive Manufacturing Technologies. Cham, Switzerland: Springer; 2021;675. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7Gibson I., Rosen D., Stucker B., Khorasani M. Additive Manufacturing Technologies. Cham, Switzerland: Springer; 2021;675. https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7Lewandowski J.J., Seifi M. Metal additive manufacturing: A review of mechanical properties. Annual Review of Materials Research. 2016;46:151–186. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070115-032024Lewandowski J.J., Seifi M. Metal additive manufacturing: A review of mechanical properties. Annual Review of Materials Research. 2016;46:151–186. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070115-032024De Oliveira U., Ocelik V., De Hosson J.T.M. Analysis of coaxial laser cladding processing conditions. Surface and Coatings Technology. 2005;197(2–3):127–136. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.06.029De Oliveira U., Ocelik V., De Hosson J.T.M. Analysis of coaxial laser cladding processing conditions. Surface and Coatings Technology. 2005;197(2–3):127–136. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.06.029Harooni A., Nasiri A.M., Gerlich A.P., Khajepour A., Kha­lifa A., King J.M. Processing window development for laser cladding of zirconium on zirconium alloy. Journal of Mate­rials Processing Technology. 2016;230:263–271. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.11.028Harooni A., Nasiri A.M., Gerlich A.P., Khajepour A., Kha­lifa A., King J.M. Processing window development for laser cladding of zirconium on zirconium alloy. Journal of Mate­rials Processing Technology. 2016;230:263–271. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.11.028Базалеева К.О., Цветкова Е.В., Сафарова Д.Э., Понкратова Ю.Ю., Луговой М.Е., Алексеев А.В., Басков Ф.А. Влияние технологических параметров процесса прямого лазерного выращивания на качество формируемого объекта из титанового сплава ВТ23. Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. 2024;26(2):186–198. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2024-26.2-186-198Bazaleeva K.O., Tsvetkova E.V., Safarova D.E., Ponkratova Yu.Yu., Lugovoi M.E., Alekseev A.V., Baskov F.A. The influence of technological parameters of the laser engineered net shaping process on the quality of the formed object from titanium alloy VT23. Obrabotka metallov: tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty. 2024;26(2):186–198. (In Russ.). https://doi.org/10.17212/1994-6309-2024-26.2-186-198Швецов О.В., Кондратьев С.Ю. Влияние режимов закалки и старения на эксплуатационные свойства сплава ВТ23. Глобальная энергия. 2018;24(2):119–133. https://doi.org/10.18721/JEST.240210Shvetsov O.V., Kondrat’ev S.Yu. Effect of quenching and aging modes on the performance properties of the VT23 alloy. Global’naya energiya. 2018;24(2):119–133. (In Russ.). https://doi.org/10.18721/JEST.240210He B., Li J., Cheng X., Wang H.M. Brittle fracture behavior of a laser additive manufactured near-β titanium alloy after low temperature aging. Materials Science and Engineering: A. 2017;699:229–238. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.050He B., Li J., Cheng X., Wang H.M. Brittle fracture behavior of a laser additive manufactured near-β titanium alloy after low temperature aging. Materials Science and Engineering: A. 2017;699:229–238. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.050Wang T., Zhu Y.Y., Zhang S.Q., Tang H.B., Wang H.M. Grain morphology evolution behavior of titanium alloy components during laser melting deposition additive manufactu­ring. Journal of Alloys and Compounds. 2015;632:505–513. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.256Wang T., Zhu Y.Y., Zhang S.Q., Tang H.B., Wang H.M. Grain morphology evolution behavior of titanium alloy components during laser melting deposition additive manufactu­ring. Journal of Alloys and Compounds. 2015;632:505–513. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.01.256

The authors declare that there are no conflicts of interest present.