Абстрактный
Надежное соединение титановых сплавов и нержавеющей стали уже давно является важнейшей технической задачей в производстве высокотехнологичного оборудования. В данной статье систематически рассматриваются проблемы, возникающие при сварке разнородных металлов титан/сталь, включая проблемы хрупких фаз, термических напряжений и совместимости процессов. В ней подчеркиваются основные преимущества технологии лазерной наплавки при подготовке переходного слоя, регулировании границ раздела и повышении производительности. В статье также обобщены передовые исследования в области переходных слоев ванадия (V), многофункциональных антибактериальных гидрофобных покрытий и высокоэнтропийных покрытий с усилением сплава. Лазерная наплавка стала основной технологией для преодоления узкого места в соединении титан-сталь и получения высокопроизводительных, долговечных, многофункциональных интегрированных покрытий, обеспечивающих решение нового поколения для таких областей, как аэрокосмическая промышленность, судостроение, атомная энергетика и морская техника.

1. Введение

Титановые сплавы и нержавеющая сталь широко используются в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, судостроение, атомная энергетика и высокотехнологичное машиностроение, благодаря своей высокой прочности, коррозионной стойкости и легкости. Однако значительные различия в их физических и химических свойствах затрудняют прямую сварку, часто приводя к образованию хрупких интерметаллических соединений и высоким остаточным напряжениям, что приводит к растрескиванию и некачественному соединению. В последние годы технология лазерной наплавки стала основным решением для соединения разнородных материалов и подготовки высокоэффективных защитных покрытий благодаря высокой точности, прочному металлургическому соединению, низкому уровню разбавления и сильной управляемости. Данная статья посвящена проблемам соединения титана со сталью, технологии переходного слоя, многофункциональным покрытиям и усилению высокоэнтропийных сплавов, подчеркивая прорыв и ценность применения лазерной наплавки.

2. Основные проблемы при сварке титана и стали

В сварке титана и нержавеющей стали есть два основных "узких места":

1. Образование хрупких интерметаллических соединений: Во время сварки реакции между Ti и Fe, Cr, Ni, C приводят к образованию твердых и хрупких фаз, таких как TiFe, TiFe₂, TiCr₂, NiTi и TiC, что приводит к очень низкой пластичности и делает соединения склонными к хрупкому разрушению.
2. Несоответствие коэффициентов теплового расширения и высокое остаточное напряжение: Значительная разница в тепловых свойствах этих материалов создает большие внутренние напряжения в процессе охлаждения, что может легко привести к образованию холодных трещин и деформации.

Традиционные методы, такие как пайка, диффузионное соединение и сварка трением, сложны и неэффективны. Электронно-лучевая сварка требует вакуумной среды, а традиционная лазерная сварка не позволяет подавить образование хрупких фаз, что делает их непригодными для надежной долговременной эксплуатации высокотехнологичного оборудования.

3. Технология переходных слоев: Ключевой путь к решению проблемы сварки титана со сталью

Чтобы предотвратить прямой контакт между Ti и Fe, исследователи обычно используют Cu, Ni, Nb, Zr и другие материалы в качестве промежуточных переходных слоев. Среди них переходные слои из ванадия (V) демонстрируют наилучшие общие характеристики:

• Отличная растворимость ванадия в титане и стали эффективно предотвращает образование хрупких фаз.
• Тенг Йи и др. (2023) и Чжан Янь (2019) подтвердили, что использование ванадия в качестве прослойки значительно повышает прочность и стабильность суставов.

Однако традиционные методы подготовки переходных слоев часто страдают от слабого сцепления и сложного контроля толщины. Лазерная наплавка стала лучшим решением для подготовки высококачественных ванадиевых переходных слоев.

4. Лазерная наплавка: Основная технология для соединения титана со сталью и нанесения высокоэффективных покрытий

Лазерная наплавка использует высокоэнергетические лазеры в качестве источника тепла для быстрого расплавления и затвердевания металлургически связанного, малорастворимого, плотного покрытия или переходного слоя. В настоящее время это наиболее подходящая передовая технология обработки поверхности для высокотехнологичных промышленных применений.

Основные преимущества лазерной наплавки:

1. Низкая степень разбавления: Точный контроль над диффузией элементов позволяет строго подавлять взаимную диффузию Ti и Fe, предотвращая образование хрупких интерметаллических соединений из источника.
2. Прочное металлургическое соединение: Слой достигает сцепления с подложкой на атомном уровне, что значительно повышает надежность и срок службы соединения.
3. Точное и контролируемое формование: Лазерная наплавка позволяет гибко управлять толщиной, морфологией и составом переходных слоев, что делает ее пригодной для создания сложных структур.
4. Небольшая зона теплового воздействия: Минимальная деформация и низкое напряжение, что делает его идеальным для соединения легких сплавов, таких как титан и алюминий, с высокопрочными сталями.
5. Многофункциональная интеграция: Одновременно достигается высокопрочное соединение, износостойкость, коррозионная стойкость, антибактериальные свойства, гидрофобность и устойчивость к высоким температурам.
6. Стабильный процесс и высокая степень автоматизации: Подходит для массового производства, отвечает стандартам высокотехнологичного производства в аэрокосмической отрасли, атомной энергетике и судостроении.

5. Передовой прогресс в области многофункциональных покрытий на основе лазерной наплавки

1. Лазерная наплавка с переходным слоем ванадия
   Лазерная наплавка позволяет получить однородные, плотные переходные слои ванадия, которые эффективно контролируют образование σ-фазы, улучшая прочность и вязкость соединений титан/сталь.
2. Антибактериальные супергидрофобные покрытия для лазерной наплавки
   Для морской техники, медицины и пищевого оборудования лазерная наплавка позволяет создавать супергидрофобные покрытия с выделением ионов серебра для синергетического антибактериального действия:
   1. Супергидрофобные интерфейсы снижают адгезию бактерий.
   1. Ионы серебра обеспечивают длительный антибактериальный эффект.
   1. Лазерная наплавка обеспечивает механическую износостойкость и коррозионную стойкость.
3. Покрытия для лазерной наплавки высокоэнтропийных сплавов (HEA)
   Высокоэнтропийные сплавы обладают чрезвычайно высокой твердостью, отличной износостойкостью и коррозионной стойкостью. Использование сверхскоростной лазерной наплавки (EHLC) позволяет получать покрытия с более тонкой микроструктурой, меньшим напряжением и более стабильными характеристиками, что значительно продлевает срок службы компонентов в экстремальных условиях.

6. Пробелы в исследованиях и будущие тенденции

В настоящее время большинство покрытий ориентированы на выполнение одной функции. Будущие разработки будут направлены на:

• Лазерная наплавка + переходный слой + интеграция многофункциональных покрытий.
• Синергия редкоземельных двухфазных частиц для упрочнения покрытий из высокоэнтропийных сплавов.
• Сочетание супергидрофобных, антибактериальных, износостойких и антикоррозийных свойств.
• Высокоскоростная лазерная наплавка (EHLC) для эффективного массового производства.

7. Заключение

Надежное соединение титановых сплавов и нержавеющей стали является ключевой технологией в производстве высокотехнологичного оборудования. Лазерная наплавка, благодаря низкому уровню разбавления, прочному металлургическому соединению, точной управляемости и многофункциональной интеграции, стала наиболее эффективным решением проблем хрупкости, напряжений и недостатков производительности при сварке титана и стали. От точной подготовки ванадиевых переходных слоев до многофункциональных антибактериальных гидрофобных покрытий и усиления высокоэнтропийных сплавов - лазерная наплавка способствует эволюции технологий соединения от “традиционной сварки” к “высокопроизводительной инженерии поверхности”, поддерживая будущее развитие легких, долговечных и высоконадежных промышленных применений.