Физико-химические свойства объёмных образцов из никелида титана околоэквиатомных составов, полученных лазерным нанесением металлической проволоки

Хоменко М.Д., Дубров А.В., Марченко Е.С., Новиков М.М., Панченко В.Я.

Ссылка для цитирования:

Хоменко М.Д., Дубров А.В., Марченко Е.С., Новиков М.М., Панченко В.Я. Физико-химические свойства объёмных образцов из никелида титана околоэквиатомных составов, полученных лазерным нанесением металлической проволоки // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 4. С. 68–80. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-68-80

Khomenko M.D., Dubrov A.V., Marchenko E.S., Novikov M.M., Panchenko V.Ya. Physicochemical properties of bulk titanium nickelide samples of near-equiatomic compositions obtained by laser deposition of metal wire [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 4. P. 68–80. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-04-68-80

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Образцы из сплавов на основе никелида титана (NiTi) различной стехиометрии, полученные методом лазерного нанесения металлической проволоки. Цель работы. Экспериментальное исследование зависимости физико-химических свойств объёмных образцов никелида титана, полученных лазерным нанесением металлической проволоки околоэквиатомных составов, от скорости нанесения материала. Метод. Полученные в различных технологических режимах образцы из проволок никелида титана были исследованы для изучения их химического и фазового состава, а также твёрдости. Основные результаты. Было показано, что эквиатомный состав исходной проволоки NiTi имеет больше перспектив при выращивании с высокой скоростью нанесения, а составы, богатые никелем, более эффективны при низкой скорости нанесения. На высокой скорости нанесения ванна расплава имеет небольшие размеры и время жизни, поэтому окисление титана и испарение никеля минимально. На низкой скорости нанесения время жизни ванны расплава увеличено, что способствует растворению преципитатов вторичных фаз. Практическая значимость. Полученные в работе зависимости свойств образцов из NiTi от параметров нанесения послужат основой для разработки аддитивной технологии выращивания имплантатов с суперэластичными свойствами из никелида титана.

Ключевые слова:

лазерное нанесение металлической проволоки, никелид титана, аустенит, мартенсит, преципитаты, окисление, микротвёрдость

Благодарность:

работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда № 24-63-00049, https://rscf.ru/project/24-63-00049/ в части выращивания и анализа образцов из никелида титана и в рамках выполнения государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» в части разработки пластиковых 3D моделей

Коды OCIS: 160.1435, 350.3850, 160.3900

Список источников:

1. Bastin A., Huang X. Progress of additive manufacturing technology and its medical applications // ASME Open J. Engineering. 2022. V. 1. P. 010802. https://doi.org/10.1115/1.4054947
2. Li C., Pisignano D., Zhao Y., Xue J. Advances in medical applications of additive manufacturing // Engineering. 2020. V. 6. P. 1222–1231. https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.02.018
3. Cherebylo S., Ippolitov E., Novikov M., Tereshchuk S. Information technologies in complex reconstructive maxillofacial surgery // In Proceedings of 2021 International Conference on Medical Imaging and ComputerAided Diagnosis (MICAD 2021). Springer, Singapor. 2022. V. 784. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3880-0_19
4. Singh B.J., Sehgal R., Singh R.P. Additive manufacturing in biomedical and healthcare sector: an umbrella review // International Journal on Interactive Design and Manufacturing. 2023. P. 1–33. https://doi.org/10.1007/s12008-023-01524-0
5. Vafadar A., Guzzomi F., Rassau A., Hayward K. Advances in metal additive manufacturing: a review of common processes, industrial applications, and current challenges // Applied Sciences. 2021. V. 11. № 3. P. 1213. https://doi.org/10.3390/app11031213
6. Bandyopadhyay A., Ciliveri S., Bose S. Metal additive manufacturing for load-bearing implants // Journal of the Indian Institute of Science. 2022. V. 102. № 1. P. 561–584. https://doi.org/10.1007/s41745-021-00281-x
7. Huzum B., Puha B., Necoara R.M., Gheorghevici S., Puha G., Filip A., Sirbu P., Alexa O. Biocompatibility assessment of biomaterials used in orthopedic devices: An overview // Experimental and Therapeutic Medicine. 2021. V. 22. № 5. P. 1315. https://doi.org/10.3892/etm.2021.10750
8. Minnath M.A. Metals and alloys for biomedical applications // Fundamental biomaterials: metals // Woodhead Publishing. 2018. P. 167–174. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102205-4.00001-5

9. Mori Y.K.M., Ito K., Koguchi M., Tanaka H., Kurishima H., Koyama T., Mori N., Masahashi N., Aizawa T. A review of the impacts of implant stiffness on fracture healing // Applied Sciences. 2024. V. 14. № 6. P. 2259. https://doi.org/10.3390/app14062259
10. Sathishkumar M., Kumar C.P., Ganesh S.S.S., Venkatesh M., Radhika N., Vignesh M., Pazhani A. Possibilities, performance and challenges of nitinol alloy fabricated by Directed Energy Deposition and Powder Bed Fusion for biomedical implants // Journal of Manufacturing Processes. 2023. V. 102. P. 885–909. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.08.024
11. Elahinia M., Moghaddam N.S., Andani M.T., Amerinatanzi A., Bimber B.A., Hamilton R.F. Fabrication of NiTi through additive manufacturing: A review // Progress in Materials Science. 2016. V. 83. P. 630–663. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2016.08.001
12. Zain E.M., Abdelwahed M., Youssef A.F., Elsabbagh A.M., Pityana S., Taha M.A. On microstructure evolution and mechanical behavior of near equiatomic Nickel Titanium (NiTi) alloys fabricated by laser deposition of elemental powders // Cureus Journal of Engineering. 2025. V. 2. № 1. https://doi.org/10.7759/s44388-025-05410-1
13. Abioye T.E., Farayibi P.K., Kinnel P., Clare A.T. Functionally graded Ni-Ti microstructures synthesised in process by direct laser metal deposition // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. V. 79. № 5. P. 843–850. https://doi.org/10.1007/s00170-015-6878-8
14. Khademzadeh S., Carmignato S., Parvin N. et al. Micro porosity analysis in additive manufactured NiTi parts using micro computed tomography and electron microscopy // Materials & Design. 2016. V. 90. P. 745–752. https://doi.org/10.1007/s00170-015-6878-8
15. Biffi C.A., Tuissi A., Demir A.G. Martensitic transformation, microstructure and functional behavior of thin-walled Nitinol produced by micro laser metal wire deposition // Journal of materials research and technology. 2021. V. 12. P. 2205–2215. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.03.108
16. Chen Y., Zhang X., Parvez M.M., Newkirk J.W., Liou F. Fabricating TiNiCu ternary shape memory alloy by directed energy deposition via elemental metal powders // Applied Sciences. 2021. V. 11. № 11. P. 4863. https://doi.org/10.3390/app11114863
17. Ren Y., Du J., Liu B., Jiao Z.B., Tian Y., Baker I., Wu H. Microstructure, mechanical properties and biocompatibility of laser metal deposited Ti–23Nb coatings on a NiTi substrate // Materials Science and Engineering: A. 2022. V. 848. P. 143402. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143402
18. Zavalov Y.N., Dubrov A.V. Application features of the multi-wave optical diagnostics complex in the technology of laser metal deposition // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. October. V. 2059. № 1. P. 012027. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2059/1/012027
19. Dubrov A.V., Zavalov Y.N., Rodin P.S., Buzhin I.A., Kapustin D.O., Khomenko M.D. Thermal behavior and deposit characteristics of NiTi alloy single tracks obtained by laser metal wire deposition // Journal of Laser Applications. 2025. V. 37 № 4. P. 042040. https://doi.org/10.2351/7.0001876
20. Хоменко М.Д., Макоана Н.В., Ронжин Д.А., Питяна С. Стратегия сканирования для контроля размера зерна при прямом лазерном выращивании слоя для аддитивного производства // Квантовая электроника. 2025. Т. 55. № 8. С. 518–528.
Khomenko M.D., Makoana N.W, Ronzhin D.A., Pityana S. Scanning strategy for grain size control in the multi-track laser metal deposition for additive manufacturing applications // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2025. V. 52. Suppl. 10. P. S1079–S1093. https://doi.org/10.3103/S1068335625604418