Abstrakt
Pålidelig forbindelse mellem titanlegeringer og rustfrit stål har længe været en kritisk teknisk udfordring i fremstillingen af ​​avanceret udstyr. Denne artikel gennemgår systematisk de udfordringer, der står over for i forbindelse med svejsning af titan/stål-forskellige metaller, herunder problemer med sprøde faser, termisk stress og proceskompatibilitet. Den fremhæver de centrale fordele ved laserbeklædningsteknologi i forbindelse med forberedelse af overgangslag, regulering af grænseflader og forbedring af ydeevne. Artiklen opsummerer også banebrydende forskning inden for vanadium (V)-overgangslag, multifunktionelle antibakterielle hydrofobe belægninger og belægninger med høj entropilegering. Laserbeklædning er blevet kerneteknologien til at overvinde flaskehalsen i titan-stål-forbindelser og opnå højtydende, langlivede, multifunktionelle integrerede belægninger, hvilket giver en ny generation af løsninger til områder som luftfart, skibsbygning, atomkraft og maritim teknik.

1. Introduktion

Titanlegeringer og rustfrit stål anvendes i vid udstrækning i industrier som luftfart, skibsbygning, atomkraftudstyr og avancerede maskiner på grund af deres høje styrke, korrosionsbestandighed og lette vægtfordele. De betydelige forskelle i deres fysiske og kemiske egenskaber gør imidlertid direkte svejsning vanskelig, hvilket ofte resulterer i dannelsen af ​​sprøde intermetalliske forbindelser og høj restspænding, hvilket fører til revner og substandard samlingsydelse. I de senere år er laserbeklædningsteknologi dukket op som den centrale løsning til at håndtere forbindelsen af ​​forskellige materialer og fremstillingen af ​​højtydende beskyttende belægninger takket være dens høje præcision, stærke metallurgiske binding, lave fortyndingshastighed og stærke kontrollerbarhed. Denne artikel fokuserer på udfordringerne inden for titan/stål-forbindelse, overgangslagsteknologi, multifunktionelle belægninger og forstærkning af højentropilegeringer med vægt på gennembrudene og anvendelsesværdien af ​​laserbeklædning.

2. Kerneudfordringer i titanium-stålsvejsning

Der er to store flaskehalse ved svejsning af titanium og rustfrit stål:

1. Dannelse af sprøde intermetalliske forbindelserUnder svejsning resulterer reaktioner mellem Ti og Fe, Cr, Ni og C i dannelsen af ​​hårde og sprøde faser såsom TiFe, TiFe₂, TiCr₂, NiTi og TiC, hvilket fører til meget lav plasticitet og gør samlingerne tilbøjelige til sprødbrud.
2. Uoverensstemmelse i termiske udvidelseskoefficienter og høj restspændingDen betydelige forskel i disse materialers termiske egenskaber genererer store indre spændinger under afkølingsprocessen, hvilket let kan forårsage koldreevner og deformation.

Traditionelle metoder som lodning, diffusionsbinding og friktionssvejsning er komplekse og ineffektive. Elektronstrålesvejsning kræver et vakuummiljø, mens konventionel lasersvejsning har svært ved at undertrykke dannelsen af ​​sprøde faser, hvilket gør dem uegnede til pålidelig langtidsdrift af avanceret udstyr.

3. Overgangslagsteknologi: Nøglevejen til at løse titanium-stål-svejsning

For at forhindre direkte kontakt mellem Ti og Fe bruger forskere almindeligvis Cu, Ni, Nb, Zr og andre materialer som mellemliggende overgangslag. Blandt dem udviser vanadium (V)-overgangslagene den bedste samlede ydeevne:

• Vanadiums fremragende opløselighed i både titanium og stål forhindrer effektivt dannelsen af ​​sprøde faser.
• Teng Yi et al. (2023) og Zhang Yan (2019) har bekræftet, at brugen af ​​vanadium som mellemlag forbedrer samlingernes styrke og stabilitet betydeligt.

Traditionelle metoder til fremstilling af overgangslag lider dog ofte af svag binding og vanskelig tykkelseskontrol. Laserbeklædning har vist sig at være den bedste løsning til fremstilling af vanadium-overgangslag af høj kvalitet.

4. Laserbeklædning: Kerneteknologien til titanium-stålforbindelse og højtydende belægninger

Laserbeklædning bruger højenergilasere som varmekilde til hurtigt at smelte og størkne en metallurgisk bundet, lavt fortyndet, tæt belægning eller overgangslag. Det er i øjeblikket den mest velegnede avancerede overfladeteknologi til avancerede industrielle applikationer.

Kernefordele ved laserbeklædning:

1. Lav fortyndingshastighedPræcis kontrol over elementær diffusion kan strengt undertrykke den gensidige diffusion af Ti og Fe og dermed forhindre dannelsen af ​​sprøde intermetalliske forbindelser fra kilden.
2. Stærk metallurgisk bindingLaget opnår binding på atomniveau med underlaget, hvilket forbedrer samlingens pålidelighed og levetid betydeligt.
3. Præcis og kontrollerbar formningLaserbeklædning giver fleksibel kontrol over tykkelsen, morfologien og sammensætningen af ​​overgangslagene, hvilket gør den tilpasningsdygtig til komplekse strukturer.
4. Lille varmepåvirket zoneMinimal deformation og lav spænding, hvilket gør den ideel til sammenføjning af letvægtslegeringer som titanium og aluminium med højstyrkestål.
5. Multifunktionel integrationOpnår samtidig højstyrkebinding, slidstyrke, korrosionsbestandighed, antibakterielle egenskaber, hydrofobicitet og højtemperaturresistens.
6. Stabil proces og høj automatiseringVelegnet til masseproduktion og opfylder standarderne for avanceret produktion inden for luftfart, atomkraft og skibsbygning.

5. Frontlinjefremskridt inden for multifunktionelle belægninger baseret på laserbeklædning

1. Vanadium-overgangslag laserbeklædning
   Laserbeklædning kan fremstille homogene, tætte vanadium-overgangslag, der effektivt kontrollerer dannelsen af ​​σ-fase og forbedrer både styrken og sejheden af ​​titanium/stål-samlinger.
2. Antibakterielle superhydrofobe laserbeklædningsbelægninger
   Til brug inden for maritim teknik, medicin og fødevaremaskiner kan laserbeklædning skabe superhydrofobe belægninger med frigivelse af sølvioner for synergistisk antibakteriel virkning:
   1. Superhydrofobe grænseflader reducerer bakteriel adhæsion.
   1. Sølvioner giver langvarige antibakterielle virkninger.
   1. Laserbeklædning sikrer mekanisk slidstyrke og korrosionsbestandighed.
3. Laserbeklædningsbelægninger med høj entropilegering (HEA)
   Højentropilegeringer tilbyder ekstremt høj hårdhed, fremragende slidstyrke og korrosionsbestandighed. Ved at bruge ultrahurtig laserbeklædning (EHLC) kan der opnås belægninger med finere mikrostrukturer, lavere spænding og mere stabil ydeevne, hvilket forlænger komponenternes levetid betydeligt i ekstreme miljøer.

6. Forskningshuller og fremtidige tendenser

I øjeblikket fokuserer de fleste belægninger på én funktion. Fremtidig udvikling vil fokusere på:

• Laserbeklædning + overgangslag + integration af multifunktionelle belægninger.
• Synergi med sjældne jordarters dobbeltfasepartikler til forstærkning af legeringsbelægninger med høj entropi.
• Kobling af superhydrofobe, antibakterielle, slidstærke og korrosionsbestandige egenskaber.
• Højhastighedslaserbeklædning (EHLC) til effektive masseproduktionsapplikationer.

7. Konklusion

Den pålidelige forbindelse mellem titanlegeringer og rustfrit stål er en nøgleteknologi inden for fremstilling af avanceret udstyr. Laserbeklædning, med sin lave fortyndingshastighed, stærke metallurgiske binding, præcise kontrollerbarhed og multifunktionelle integration, er blevet den mest effektive løsning til at løse problemer med sprødhed, stress og ydeevnemangler ved svejsning af titanium/stål. Fra den præcise forberedelse af vanadium-overgangslag til multifunktionelle antibakterielle hydrofobe belægninger og forstærkning af legeringer med høj entropi, driver laserbeklædning udviklingen af ​​forbindelsesteknologier fra "traditionel svejsning" til "højtydende overfladeteknik", der understøtter den fremtidige udvikling af industrielle applikationer med lav belastning, lang levetid og høj pålidelighed.