要旨
チタン合金とステンレス鋼の信頼性の高い接合は、ハイエンド機器製造における重要な技術的課題であった。この論文では、脆性相、熱応力、プロセス適合性の問題を含め、チタンと鋼の異種金属溶接で直面する課題を体系的にレビューする。遷移層の準備、界面の調整、性能向上におけるレーザークラッディング技術の核となる利点を強調している。また、バナジウム(V)遷移層、多機能抗菌疎水性コーティング、高エントロピー合金強化コーティングにおける最先端の研究についてもまとめている。レーザークラッディングは、チタンと鋼の接続のボトルネックを克服し、高性能、長寿命、多機能の統合コーティングを実現するための中核技術となり、航空宇宙、造船、原子力、海洋工学などの分野に新世代のソリューションを提供している。.

1. はじめに

チタン合金とステンレス鋼は、その高強度、耐食性、軽量の利点から、航空宇宙、造船、原子力機器、ハイエンド機械などの産業で広く使用されている。しかし、両者の物理的・化学的特性は大きく異なるため、直接溶接は困難であり、しばしば脆い金属間化合物の形成や高い残留応力を引き起こし、割れや標準以下の接合性能につながります。近年、レーザー肉盛技術は、その高精度、強力な金属接合、低希釈率、強力な制御性により、異種材料の接合や高性能保護皮膜の調製に対処する中核的なソリューションとして浮上している。本稿では、チタンと鋼の接合、遷移層技術、多機能コーティング、高エントロピー合金強化の課題に焦点を当て、レーザークラッディングのブレークスルーと応用価値を強調する。.

2. チタンと鋼の溶接における核心的課題

チタンとステンレスの溶接には2つの大きなネックがある：

1. 脆い金属間化合物の形成:溶接中、TiとFe、Cr、Ni、Cとの反応により、TiFe、TiFe₂、TiCr₂、NiTi、TiCのような硬くて脆い相が形成され、塑性が非常に低くなり、接合部が脆性破壊しやすくなる。.
2. 熱膨張係数の不一致と高い残留応力:これらの材料の熱特性の大きな違いは、冷却過程で大きな内部応力を発生させ、冷間亀裂や変形を引き起こしやすい。.

ろう付け、拡散接合、摩擦接合といった従来の方法は、複雑で効率が悪い。電子ビーム溶接は真空環境を必要とし、従来のレーザー溶接は脆性相の形成を抑えるのに苦労し、ハイエンド機器の信頼性の高い長期運転には不向きである。.

3. 遷移層技術：チタンと鋼の溶接を解決する重要な道

TiとFeの直接接触を防ぐため、研究者は一般的にCu、Ni、Nb、Zrなどを中間遷移層として使用している。なかでもバナジウム（V）遷移層は、全体として最高の性能を示す：

• バナジウムの優れた溶解性 チタンと鋼の両方において、脆性相の形成を効果的に防止する。.
• テン・イ他（2023年） そして チャン・イェン（2019年） は、バナジウムを中間膜として使用することで、関節の強度と安定性が著しく向上することを確認している。.

しかし、従来の遷移層作製方法では、結合が弱く、厚み制御が難しいことが多い。レーザークラッディングは、高品質のバナジウム遷移層を作製するための最良のソリューションとして登場しました。.

4. レーザークラッディング：チタンと鋼の接合と高性能コーティングのコア技術

レーザークラッディングは、高エネルギーレーザーを熱源として使用し、冶金学的に結合された低希釈の緻密な被覆層または遷移層を急速に溶融・凝固させる。現在、ハイエンドの工業用途に最も適した高度な表面技術です。.

レーザークラッディングの主な利点:

1. 希釈率が低い:元素拡散を精密に制御することで、TiとFeの相互拡散を厳密に抑制し、もろい金属間化合物の生成を元から防ぐことができる。.
2. 強力な金属結合:この層は基板との原子レベルの接合を実現し、接合信頼性と寿命を大幅に向上させる。.
3. 精密で制御可能な成形:レーザークラッディングは、遷移層の厚さ、形態、組成を柔軟に制御できるため、複雑な構造にも適応できる。.
4. 小さな熱影響ゾーン:変形が少なく応力が低いため、チタンやアルミニウムなどの軽量合金と高強度鋼の接合に最適。.
5. 多機能統合:高強度接着、耐摩耗性、耐食性、抗菌性、疎水性、耐高温性を同時に実現。.
6. 安定したプロセスと高度な自動化:大量生産に適しており、航空宇宙、原子力、造船などのハイエンド製造の基準を満たす。.

5. レーザークラッドに基づく多機能コーティングの最前線

1. バナジウム遷移層レーザークラッド
   レーザークラッディングは、σ相の形成を効果的に制御し、チタンと鋼の接合部の強度と靭性の両方を向上させる均質で緻密なバナジウム遷移層を調製することができる。.
2. 抗菌超撥水レーザークラッドコーティング
   海洋工学、医療、食品機械のニーズに対しては、レーザークラッディングにより、銀イオンを放出し相乗的な抗菌作用をもたらす超疎水性コーティングを形成することができる：
   1. 超疎水性界面は細菌の付着を減少させる。.
   1. 銀イオンは抗菌効果を長時間持続させる。.
   1. レーザークラッディングにより、機械的耐摩耗性と耐食性を確保。.
3. 高エントロピー合金（HEA）レーザークラッディングコーティング
   高エントロピー合金は、極めて高い硬度、優れた耐摩耗性、耐食性を備えています。超高速レーザークラッディング(EHLC)を使用することにより、より微細な微細構造、より低い応力、より安定した性能を持つコーティングを実現することができ、過酷な環境における部品の寿命を大幅に延ばすことができます。.

6. 研究のギャップと今後の動向

現在、ほとんどのコーティングは単一の機能に焦点を当てている。今後の開発は、次のような点に焦点を当てるだろう：

• レーザークラッディング ＋遷移層＋多機能コーティングの統合.
• レアアース二相粒子の相乗効果による高エントロピー合金コーティングの強化.
• 超撥水性、抗菌性、耐摩耗性、耐食性のカップリング.
• 高速レーザークラッディング（EHLC） 効率的な大量生産アプリケーションのために.

7. 結論

チタン合金とステンレス鋼の信頼性の高い接合は、ハイエンドの機器製造における重要な技術です。低希釈率、強力な冶金学的結合、精密な制御性、多機能統合を持つレーザークラッディングは、チタン/鋼溶接における脆性、応力、性能不足の問題を解決する最も効果的なソリューションとなっています。バナジウム遷移層の精密な調製から、多機能抗菌疎水性コーティングや高エントロピー合金補強まで、レーザークラッディングは「伝統的な溶接」から「高性能表面工学」への接続技術の進化を推進し、軽量、長寿命、高信頼性の産業アプリケーションの将来の発展を支えています。.