Anisotropy of properties in metal materials fabricated by wire arc additive manufacturing (WAAM)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Additive manufacturing (AM) technologies, particularly wire arc additive manufacturing (WAAM), offer a rapid and cost-effective approach for producing complex metal components. However, WAAM can induce anisotropy in the resulting material's physical and mechanical properties. This anisotropy must be considered in design and application to ensure reliable performance in service. The purpose of the work. This study aims to quantitatively assess the anisotropy of mechanical properties in materials produced by WAAM to enhance the reliability of components used in critical applications. Research methodology. Samples were fabricated from low-carbon alloyed steel (0.08 C-2 Mn-1 Si), stainless steel (0.04 C-19 Cr-9 Ni), and aluminum alloy (97 Al-3 Mg) using the WAAM process. These samples were then subjected to mechanical testing to determine their tensile and impact toughness and hardness. Results were compared to those of the materials in the initial state to determine the relative anisotropy of each property. Results and discussion. For 0.08 C-2 Mn-1 Si steel, the tensile strength of WAAM-fabricated samples exhibited minimal variation across different orientations, indicating relatively high isotropy (relative anisotropy of 1.3 %). A relative anisotropy of 33 % was observed for elongation, 21 % for impact toughness, and 16 % for hardness. The 0.04 C-19 Cr-9 Ni stainless steel exhibited a relative anisotropy of 15.1 % for tensile strength, 244 % for elongation, 33 % for impact toughness, and 4% for hardness. The 97 Al-3 Mg aluminum alloy showed a significant relative anisotropy in tensile strength (83.6 %) and relative elongation (513 %) due to differences in the “vertical” direction. Impact toughness exhibited only slight variations (28 %) depending on sample orientation, while hardness can be considered isotropic. In general, hardness demonstrated the lowest relative anisotropy, while elongation exhibited the highest.

About the authors

Andrey V. Kirichek

Bryansk State Technical University

Email: avkbgtu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3823-0501
SPIN-code: 6910-0233
Scopus Author ID: 6506677389
ResearcherId: AAQ-9985-2020

D.Sc. (Engineering), Professor

Russian Federation, 241035, Russian Federation, Bryansk, 7 50 Let Oktyabrya Bul.

Dmitry L. Soloviev

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Author for correspondence.
Email: murstin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4475-319X
Scopus Author ID: 6603827038
ResearcherId: O-8393-2015

D.Sc. (Engineering), Professor

Russian Federation, 600000, Russian Federation, Vladimir, 87 Gorkogo str.

Alexander V. Yashin

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: yashin2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3186-1300
SPIN-code: 3473-4047
Scopus Author ID: 36816597400
ResearcherId: F-8330-2017

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 600000, Russian Federation, Vladimir, 87 Gorkogo str.

Sergey A. Silantyev

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: ppdsio@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3524-385X
SPIN-code: 2686-4678
Scopus Author ID: 59747487400

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 600000, Russian Federation, Vladimir, 87 Gorkogo str.

Artemy V. Aborkin

Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs

Email: aborkin@vlsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4979-7164
SPIN-code: 9617-7413
Scopus Author ID: 57189059617
ResearcherId: K-8968-2013

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, 600000, Russian Federation, Vladimir, 87 Gorkogo str.

Maxim A. Novikov

Bryansk State Technical University

Email: NovikovMax14@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-7552-312X
SPIN-code: 1355-7688
ResearcherId: P-6142-2017

Scientific associate

Russian Federation, 241035, Russian Federation, Bryansk, 7 50 Let Oktyabrya Bul.

References

  1. Tomar B., Shiva S., Nath T. A review on wire arc additive manufacturing: Processing parameters, defects, quality improvement and recent advances // Materials Today Communications. – 2022. – Vol. 31. – P. 103739. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.103739.
  2. Invited review article: Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturing / C.R. Cunningham, J.M. Flynn, A. Shokrani, V. Dhokia, S.T. Newman // Additive Manufacturing. – 2018. – Vol. 22. – P. 672–686. – doi: 10.1016/j.addma.2018.06.020.
  3. Description of anisotropic material response of wire and arc additively manufactured thin-walled stainless steel elements / N. Hadjipantelis, B. Weber, C. Buchanan, L. Gardner // Thin-Walled Structures. – 2022. – Vol. 171. – P. 108634. – doi: 10.1016/j.tws.2021.108634.
  4. On the anisotropy of thick-walled wire arc additively manufactured stainless steel parts / L. Palmeira Belotti, T.F.W. van Nuland, M.G.D. Geers, J.P.M. Hoefnagels, J.A.W. van Dommelen // Materials Science and Engineering: A. – 2023. – Vol. 863. – P. 144538. – doi: 10.1016/j.msea.2022.144538.
  5. Wire + Arc additive manufacturing / S.W. Williams, F. Martina, A.C. Addison, J. Ding, G. Pardal, P. Colegrove // Materials Science and Technology. – 2016. – Vol. 32 (7). – P. 641–647. – doi: 10.1179/1743284715Y.0000000073.
  6. Heat sources in wire arc additive manufacturing and their impact on macro-microstructural characteristics and mechanical properties – An overview / N.A. Siddiqui, M. Muzamil, T. Jamil, G. Hussain // Smart Materials in Manufacturing. – 2025. – Vol. 3. – P. 100059. – doi: 10.1016/j.smmf.2024.100059.
  7. Albannai A.I. A brief review on the common defects in wire arc additive manufacturing // International Journal of Current Science Research and Review. – 2022. – Vol. 5 (12). – P. 4556–4576. – doi: 10.47191/ijcsrr/V5-i12-19.
  8. Residual stress in wire and arc additively manufactured aluminum components / J. Sun, J. Hensel, M. Köhler, K. Dilger // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 65. – P. 97–111. – doi: 10.1016/j.jmapro.2021.02.021.
  9. Le V.Th., Mai D.S. Microstructural and mechanical characteristics of 308L stainless steel manufactured by gas metal arc welding-based additive manufacturing // Materials Letters. – 2020. – Vol. 271. – P. 127791. – doi: 10.1016/j.matlet.2020.127791.
  10. Open-source wire and arc additive manufacturing system: Formability, microstructures, and mechanical properties / X. Lu, Y.F. Zhou, X.L. Xing, L.Y. Shao, Q.X. Yang, S.Y. Gao // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 93 (5–8). – P. 2145–2154. – doi: 10.1007/s00170-017-0636-z.
  11. Yangfan W., Xizhang Ch., Chuanchu S. Microstructure and mechanical properties of Inconel 625 fabricated by wire-arc additive manufacturing // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 374. – P. 116–123. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.05.079.
  12. Исследование структуры и анизотропии механических свойств стального изделия, полученного методом послойной электродуговой проволочной 3D-печати / И.В. Власов, А.И. Гордиенко, А.Е. Кузнецова, В.М. Семенчук // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2023. – Т. 66, № 6. – С. 709–717. – doi: 10.17073/0368-0797-2023-6-709-717.
  13. Nagasai B., Malarvizhi S., Balasubramanian V. Mechanical properties of wire arc additive manufactured carbon steel cylindrical component made by gas metal arc welding process // Journal of the Mechanical Behavior of Materials. – 2021. – Vol. 30 (1). – P. 188–198. – doi: 10.1515/jmbm-2021-0019.
  14. Microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured AZ31 magnesium alloy using cold metal transfer process / X. Yang, J. Liu, Zh. Wang, X. Lin, F. Liu, W. Huang, E. Liang // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 774. – P. 138942. – doi: 10.1016/j.msea.2020.138942.
  15. Review on effect of heat input for wire arc additive manufacturing process / N.A. Rosli, M.R. Alkahari, M.F. bin Abdollah, Sh. Maidin, F.R. Ramli, S.G. Herawan // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 11. – P. 2127–2145. – doi: 10.1016/j.jmrt.2021.02.002.
  16. Selvi S., Vishvaksenan A., Rajasekar E. Cold metal transfer (CMT) technology – An overview // Defence Technology. – 2018. – Vol. 14 (1). – P. 28–44. – doi: 10.1016/j.dt.2017.08.002.
  17. Nguyen Q.L. Tool path planning for wire-arc additive manufacturing processes. Thesis for: Doctoral. – BTU Cottbus – Senftenberg, 2022. – doi: 10.26127/BTUOpen-5982.
  18. Effect of deposition strategies on mechanical strength of wire arc additively manufactured Inconel 625 / G.S. Rajput, M. Gor, H. Soni, V. Badheka, P. Sahlot // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62 (13). – P. 7324–7328. – doi: 10.1016/j.matpr.2022.05.164.
  19. D-printed metals: Process parameters effects on mechanical properties of 17-4 P H stainless steel / F.R. Andreacola, I. Capasso, A. Langella, G. Brando // Heliyon. – 2023. – Vol. 9 (7). – P. e17698. – doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e17698.
  20. Гибридные технологии и оборудование аддитивного синтеза изделий / А.В. Киричек, О.Н. Федонин, А.В. Хандожко, А.А. Жирков, Д.Л. Соловьев, С.В. Баринов // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2022. – № 8 (134). – С. 31–38. – doi: 10.30987/2223-4608-2022-8-31-38.
  21. Влияние технологических факторов на процессы формирования параметров качества изделий, изготавливаемых WAAM-методом на основе дуговой сварки в защитных газах / Ш. Ли, Ч. Линь, А.В. Киричек, М.Н. Нагоркин, М.А. Новиков // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2025. – № 5 (167). – С. 3–14. – doi: 10.30987/2223-4608-2025-5-3-14.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Note

Funding

The research was carried out with the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, as part of the basic part of the state assignment of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation under project No. FZWR-2024-0003 (No. 075-00150-24-03) “Development of a technological strategy and theoretical and experimental study of the key elements of the technology of additive synthesis of metal wire parts using the 3DMP method and wave thermo-deformation strengthening of synthesized machine parts”.



Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».