Abstrakt
Die zuverlässige Verbindung zwischen Titanlegierungen und Edelstahl ist seit langem eine kritische technische Herausforderung im High-End-Gerätebau. Dieser Artikel gibt einen systematischen Überblick über die Herausforderungen beim Schweißen von Titan- und Stahllegierungen, einschließlich Problemen mit spröden Phasen, thermischer Belastung und Prozesskompatibilität. Er hebt die Hauptvorteile der Laserstrahl-Auftragschweißtechnologie bei der Vorbereitung der Übergangsschicht, der Grenzflächenregulierung und der Leistungsverbesserung hervor. Der Artikel fasst auch die neuesten Forschungsergebnisse zu Vanadium-(V)-Übergangsschichten, multifunktionalen antibakteriellen hydrophoben Beschichtungen und hochentropischen, legierungsverbesserten Beschichtungen zusammen. Das Laserstrahl-Auftragschweißen hat sich zur Schlüsseltechnologie für die Überwindung des Engpasses bei der Verbindung von Titan und Stahl entwickelt und ermöglicht leistungsstarke, langlebige und multifunktionale integrierte Beschichtungen, die eine neue Generation von Lösungen für Bereiche wie die Luft- und Raumfahrt, den Schiffbau, die Kernkraft und die Meerestechnik darstellen.

1. Einführung

Titanlegierungen und rostfreier Stahl werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ihres geringen Gewichts in der Luft- und Raumfahrt, im Schiffbau, in der Nukleartechnik und im hochwertigen Maschinenbau eingesetzt. Die erheblichen Unterschiede in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften erschweren jedoch das direkte Schweißen, was häufig zur Bildung spröder intermetallischer Verbindungen und hoher Eigenspannungen führt, was wiederum Risse und eine minderwertige Verbindungsleistung zur Folge hat. In den letzten Jahren hat sich das Laserstrahl-Auftragschweißen dank seiner hohen Präzision, der starken metallurgischen Verbindung, der geringen Verdünnungsrate und der guten Steuerbarkeit als zentrale Lösung für die Verbindung ungleicher Werkstoffe und die Herstellung von Hochleistungs-Schutzschichten erwiesen. Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen bei der Verbindung von Titan und Stahl, der Übergangsschichttechnologie, multifunktionalen Beschichtungen und der Verstärkung von hochentropischen Legierungen und hebt die Durchbrüche und den Anwendungswert des Laserstrahl-Auftragschweißens hervor.

2. Kernherausforderungen beim Schweißen von Titan-Stahl

Beim Schweißen von Titan und rostfreiem Stahl gibt es zwei große Engpässe:

1. Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen: Beim Schweißen führen Reaktionen zwischen Ti und Fe, Cr, Ni, C zur Bildung von harten und spröden Phasen wie TiFe, TiFe₂, TiCr₂, NiTi und TiC, was zu einer sehr geringen Plastizität führt und die Verbindungen anfällig für Sprödbrüche macht.
2. Ungleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Eigenspannungen: Die erheblichen Unterschiede in den thermischen Eigenschaften dieser Werkstoffe erzeugen beim Abkühlen große innere Spannungen, die leicht zu Kaltrissen und Verformungen führen können.

Herkömmliche Verfahren wie Hartlöten, Diffusionsschweißen und Reibschweißen sind komplex und ineffizient. Das Elektronenstrahlschweißen erfordert eine Vakuumumgebung, während das herkömmliche Laserschweißen Schwierigkeiten hat, die Bildung spröder Phasen zu unterdrücken, so dass sie für den zuverlässigen Langzeitbetrieb von High-End-Geräten ungeeignet sind.

3. Übergangsschicht-Technologie: Der Schlüssel zur Lösung des Titan-Stahl-Schweißens

Um den direkten Kontakt zwischen Ti und Fe zu verhindern, verwenden Forscher üblicherweise Cu, Ni, Nb, Zr und andere Materialien als Zwischenschichten. Unter ihnen weisen Vanadium (V)-Übergangsschichten die beste Gesamtleistung auf:

• Die hervorragende Löslichkeit von Vanadium sowohl in Titan als auch in Stahl die Bildung von spröden Phasen wirksam verhindert.
• Teng Yi et al. (2023) Und Zhang Yan (2019) haben bestätigt, dass die Verwendung von Vanadium als Zwischenschicht die Festigkeit und Stabilität der Verbindungen erheblich verbessert.

Herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Übergangsschichten leiden jedoch häufig unter einer schwachen Bindung und einer schwierigen Dickenkontrolle. Das Laserstrahl-Auftragschweißen hat sich als die beste Lösung für die Herstellung hochwertiger Vanadium-Übergangsschichten erwiesen.

4. Laserstrahl-Auftragschweißen: Die Kerntechnologie für Titan-Stahl-Verbindungen und Hochleistungsbeschichtungen

Beim Laserstrahl-Auftragschweißen werden Hochenergielaser als Wärmequelle eingesetzt, um eine metallurgisch gebundene, verdünnungsarme, dichte Beschichtung oder Übergangsschicht schnell zu schmelzen und zu verfestigen. Es ist derzeit die am besten geeignete fortschrittliche Oberflächentechnologie für industrielle High-End-Anwendungen.

Die wichtigsten Vorteile des Laserstrahl-Auftragschweißens:

1. Niedrige Verdünnungsrate: Durch eine genaue Kontrolle der Elementdiffusion kann die gegenseitige Diffusion von Ti und Fe streng unterdrückt und die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen von vornherein verhindert werden.
2. Starke metallurgische Bindung: Die Schicht verbindet sich auf atomarer Ebene mit dem Substrat, was die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Verbindung deutlich erhöht.
3. Präzises und kontrollierbares Formen: Das Laserstrahl-Auftragschweißen ermöglicht eine flexible Kontrolle über die Dicke, Morphologie und Zusammensetzung der Übergangsschichten, wodurch es an komplexe Strukturen angepasst werden kann.
4. Kleine wärmebeeinflusste Zone: Minimale Verformung und geringe Spannung, daher ideal für das Verbinden von Leichtmetalllegierungen wie Titan und Aluminium mit hochfesten Stählen.
5. Multifunktionale Integration: Erzielt gleichzeitig eine hochfeste Bindung, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, antibakterielle Eigenschaften, Hydrophobie und Hochtemperaturbeständigkeit.
6. Stabiler Prozess und hohe Automatisierung: Geeignet für die Massenproduktion, erfüllt die Standards der High-End-Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, der Kernkraft und im Schiffbau.

5. Grenzüberschreitende Fortschritte bei multifunktionalen Beschichtungen auf Basis von Laser Cladding

1. Vanadium-Übergangsschicht Laser Cladding
   Durch Laserstrahl-Auftragschweißen können homogene, dichte Vanadium-Übergangsschichten hergestellt werden, die die Bildung der σ-Phase wirksam kontrollieren und sowohl die Festigkeit als auch die Zähigkeit von Titan-Stahl-Verbindungen verbessern.
2. Antibakterielle superhydrophobe Beschichtungen für Laser Cladding
   In der Schiffstechnik, der Medizintechnik und bei Lebensmittelmaschinen können durch Laserauftragschweißen superhydrophobe Beschichtungen mit Silberionenabgabe für eine synergistische antibakterielle Wirkung erzeugt werden:
   1. Superhydrophobe Grenzflächen verringern die Anhaftung von Bakterien.
   1. Silberionen haben eine lang anhaltende antibakterielle Wirkung.
   1. Das Laserplattieren gewährleistet mechanische Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
3. Hoch-Entropie-Legierung (HEA) Laser-Auftragsschichten
   Hochentrope Legierungen bieten extrem hohe Härte, hervorragende Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Durch den Einsatz des Ultrahochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens (EHLC) können Beschichtungen mit feineren Mikrostrukturen, geringerer Spannung und stabilerer Leistung erzielt werden, was die Lebensdauer von Komponenten in extremen Umgebungen erheblich verlängert.

6. Forschungslücken und zukünftige Trends

Derzeit konzentrieren sich die meisten Beschichtungen auf eine einzige Funktion. Künftige Entwicklungen werden sich darauf konzentrieren:

• Laserauftragschweißen + Übergangsschicht + Integration multifunktionaler Schichten.
• Synergie von Seltenerd-Doppelphasenpartikeln zur Verstärkung von hochentropischen Legierungsbeschichtungen.
• Kopplung von superhydrophoben, antibakteriellen, verschleißfesten und korrosionsbeständigen Eigenschaften.
• Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLC) für effiziente Anwendungen in der Massenproduktion.

7. Abschluss

Die zuverlässige Verbindung zwischen Titanlegierungen und rostfreiem Stahl ist eine Schlüsseltechnologie im High-End-Gerätebau. Das Laserstrahl-Auftragschweißen mit seiner geringen Verdünnungsrate, seiner starken metallurgischen Bindung, seiner präzisen Steuerbarkeit und seiner multifunktionalen Integration ist die effektivste Lösung, um Probleme wie Sprödigkeit, Spannungen und Leistungsmängel beim Schweißen von Titan und Stahl zu beheben. Von der präzisen Herstellung von Vanadium-Übergangsschichten bis hin zu multifunktionalen antibakteriellen hydrophoben Beschichtungen und hochentropischen Legierungsverstärkungen treibt das Laserstrahl-Auftragschweißen die Entwicklung von Verbindungstechnologien vom “traditionellen Schweißen” zur “Hochleistungs-Oberflächentechnik” voran und unterstützt die künftige Entwicklung von leichten, langlebigen und hochzuverlässigen industriellen Anwendungen.