Abstraktní
Spolehlivé spojení titanových slitin a nerezové oceli je již dlouho kritickým technickým problémem při výrobě špičkových zařízení. Tento článek systematicky rozebírá problémy, kterým čelí svařování titanu a oceli jako různorodých kovů, včetně problémů s křehkými fázemi, tepelným namáháním a kompatibilitou procesů. Zdůrazňuje hlavní výhody technologie laserového plátování při přípravě přechodové vrstvy, regulaci rozhraní a zvyšování výkonu. Článek rovněž shrnuje špičkový výzkum v oblasti vanadových (V) přechodových vrstev, multifunkčních antibakteriálních hydrofobních povlaků a povlaků se zvýšenou entropií slitin. Laserové plátování se stalo klíčovou technologií pro překonání úzkého hrdla spojení titanu s ocelí a dosažení vysoce výkonných multifunkčních integrovaných povlaků s dlouhou životností, které představují řešení nové generace pro obory, jako je letectví, stavba lodí, jaderná energetika a námořní technika.

1. Úvod

Slitiny titanu a nerezové oceli se díky své vysoké pevnosti, odolnosti proti korozi a nízké hmotnosti hojně používají v průmyslových odvětvích, jako je letectví, stavba lodí, jaderná zařízení a špičkové strojírenství. Značné rozdíly v jejich fyzikálních a chemických vlastnostech však znesnadňují přímé svařování, které často vede ke vzniku křehkých intermetalických sloučenin a vysokému zbytkovému napětí, což vede k praskání a nestandardním vlastnostem spoje. V posledních letech se jako stěžejní řešení pro řešení spojování různorodých materiálů a přípravu vysoce výkonných ochranných povlaků prosadila technologie laserového navařování, a to díky své vysoké přesnosti, silné metalurgické vazbě, nízké míře ředění a silné kontrolovatelnosti. Tento článek se zaměřuje na výzvy v oblasti spojování titanu a oceli, technologie přechodových vrstev, multifunkčních povlaků a vyztužování slitin s vysokou entropií, přičemž zdůrazňuje průlomové objevy a aplikační hodnotu laserového plátování.

2. Hlavní výzvy při svařování titanu a oceli

Při svařování titanu a nerezové oceli existují dvě hlavní překážky:

1. Tvorba křehkých intermetalických sloučenin: Během svařování dochází k reakcím mezi Ti a Fe, Cr, Ni, C, které vedou ke vzniku tvrdých a křehkých fází, jako jsou TiFe, TiFe₂, TiCr₂, NiTi a TiC, což vede k velmi nízké plasticitě a náchylnosti spojů ke křehkému lomu.
2. Nesoulad koeficientů tepelné roztažnosti a vysoké zbytkové napětí: Výrazný rozdíl v tepelných vlastnostech těchto materiálů vytváří během ochlazování velká vnitřní pnutí, která mohou snadno způsobit trhliny za studena a deformace.

Tradiční metody, jako je pájení, difúzní lepení a třecí svařování, jsou složité a neefektivní. Svařování elektronovým svazkem vyžaduje vakuové prostředí, zatímco konvenční laserové svařování se potýká s potlačením vzniku křehkých fází, což je činí nevhodnými pro spolehlivý dlouhodobý provoz špičkových zařízení.

3. Technologie přechodové vrstvy: Klíčová cesta k řešení svařování titanu a oceli

Aby se zabránilo přímému kontaktu mezi Ti a Fe, používají výzkumníci běžně jako přechodové vrstvy Cu, Ni, Nb, Zr a další materiály. Z nich vanadové (V) přechodové vrstvy vykazují nejlepší celkové vlastnosti:

• Vynikající rozpustnost vanadu v titanu i oceli účinně zabraňuje vzniku křehkých fází.
• Teng Yi a další (2023) a Zhang Yan (2019) potvrdily, že použití vanadu jako mezivrstvy výrazně zvyšuje pevnost a stabilitu spoje.

Tradiční metody přípravy přechodových vrstev však často trpí slabou vazbou a obtížnou kontrolou tloušťky. Jako nejlepší řešení pro přípravu vysoce kvalitních vanadových přechodových vrstev se ukázalo laserové plátování.

4. Laserové opláštění: Základní technologie pro spojení titanu s ocelí a vysoce výkonné povlaky

Laserové plátování využívá vysokoenergetické lasery jako zdroj tepla k rychlému roztavení a ztuhnutí metalurgicky vázané, nízkorozpustné, husté vrstvy nebo přechodové vrstvy. V současné době se jedná o nejvhodnější pokročilou povrchovou technologii pro špičkové průmyslové aplikace.

Hlavní výhody laserového oplášťování:

1. Nízká míra ředění: Přesná kontrola difúze prvků může přísně potlačit vzájemnou difúzi Ti a Fe a zabránit tak vzniku křehkých intermetalických sloučenin ze zdroje.
2. Silná metalurgická vazba: Vrstva dosahuje vazby na atomární úrovni se substrátem, což výrazně zvyšuje spolehlivost a životnost spoje.
3. Přesné a kontrolovatelné tváření: Laserové plátování umožňuje flexibilní kontrolu nad tloušťkou, morfologií a složením přechodových vrstev, díky čemuž je přizpůsobitelné složitým strukturám.
4. Malá zóna zasažená teplem: Minimální deformace a nízké napětí, což je ideální pro spojování lehkých slitin, jako je titan a hliník, s vysokopevnostními ocelemi.
5. Multifunkční integrace: Současně dosahuje vysoké pevnosti spoje, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi, antibakteriálních vlastností, hydrofobicity a odolnosti proti vysokým teplotám.
6. Stabilní proces a vysoká automatizace: Vhodné pro hromadnou výrobu, splňující standardy špičkové výroby v letectví, jaderné energetice a stavbě lodí.

5. Hraniční pokrok v oblasti multifunkčních povlaků na bázi laserového plátování

1. Vanadová přechodová vrstva laserového pláště
   Laserové plátování dokáže připravit homogenní, husté přechodové vrstvy vanadu, které účinně kontrolují tvorbu σ-fáze a zlepšují pevnost i houževnatost spojů titanu a oceli.
2. Antibakteriální superhydrofobní laserové povlaky
   Pro potřeby námořní techniky, lékařských a potravinářských strojů lze laserovým plátováním vytvořit superhydrofobní povlaky s uvolňováním iontů stříbra pro synergický antibakteriální účinek:
   1. Superhydrofobní rozhraní snižují adhezi bakterií.
   1. Ionty stříbra mají dlouhodobé antibakteriální účinky.
   1. Laserové plátování zajišťuje mechanickou odolnost proti opotřebení a korozi.
3. Laserové povlaky pro plátování slitin s vysokou antropií (HEA)
   Vysoce entropické slitiny mají extrémně vysokou tvrdost, vynikající odolnost proti opotřebení a korozi. Použitím ultravysokorychlostního laserového plátování (EHLC) lze dosáhnout povlaků s jemnější mikrostrukturou, nižším napětím a stabilnějším výkonem, což výrazně prodlužuje životnost součástí v extrémních prostředích.

6. Mezery ve výzkumu a budoucí trendy

V současné době se většina nátěrů zaměřuje na jedinou funkci. Budoucí vývoj se zaměří na:

• Laserové opláštění + přechodová vrstva + integrace multifunkčních povlaků.
• Synergie dvoufázových částic vzácných zemin pro zpevnění povlaků slitin s vysokou entropií.
• Spojení superhydrofobních, antibakteriálních, otěruvzdorných a korozivzdorných vlastností.
• Vysokorychlostní laserové plátování (EHLC) pro efektivní hromadnou výrobu.

7. Závěr

Spolehlivé spojení titanových slitin a nerezové oceli je klíčovou technologií při výrobě špičkových zařízení. Laserové plátování se díky nízké míře ředění, silnému metalurgickému spojení, přesné ovladatelnosti a multifunkční integraci stalo nejúčinnějším řešením pro řešení problémů s křehkostí, napětím a nedostatky ve výkonu při svařování titanu a oceli. Od přesné přípravy přechodových vrstev vanadu až po multifunkční antibakteriální hydrofobní povlaky a vysokoentropické zesílení slitin je laserové plátování hnací silou vývoje spojovacích technologií od “tradičního svařování” k “vysoce výkonnému povrchovému inženýrství”, což podporuje budoucí vývoj lehkých průmyslových aplikací s dlouhou životností a vysokou spolehlivostí.