Апстрактан
Поуздана веза између легура титанијума и нерђајућег челика дуго је била критични технички изазов у ​​производњи врхунске опреме. Овај чланак систематски разматра изазове са којима се суочава заваривање различитих метала титанијума/челика, укључујући проблеме са кртим фазама, термичким напрезањем и компатибилношћу процеса. Истиче основне предности технологије ласерског облагања у припреми прелазних слојева, регулацији међуповршине и побољшању перформанси. Чланак такође сумира најсавременија истраживања у области прелазних слојева ванадијума (V), мултифункционалних антибактеријских хидрофобних премаза и премаза побољшаних легурама високе ентропије. Ласерско облагање је постало основна технологија за превазилажење уског грла у вези титанијума и челика и постизање високоперформансних, дуготрајних, мултифункционалних интегрисаних премаза, пружајући решење нове генерације за области као што су ваздухопловство, бродоградња, нуклеарна енергија и поморско инжењерство.

1. Увод

Легуре титанијума и нерђајући челик се широко користе у индустријама као што су ваздухопловство, бродоградња, опрема за нуклеарну енергију и машине високе класе због своје високе чврстоће, отпорности на корозију и предности мале тежине. Међутим, значајне разлике у њиховим физичким и хемијским својствима отежавају директно заваривање, што често резултира стварањем крхких интерметалних једињења и високог заосталог напона, што доводи до пуцања и лоших перформанси спојева. Последњих година, технологија ласерског облагања појавила се као основно решење за спајање различитих материјала и припрему високоперформансних заштитних премаза, захваљујући високој прецизности, јаком металуршком везивању, ниској брзини разблаживања и јакој контролисаности. Овај чланак се фокусира на изазове у вези титанијум/челик, технологији прелазних слојева, мултифункционалним премазима и арматури легурама високе ентропије, наглашавајући продоре и вредност примене ласерског облагања.

2. Кључни изазови у заваривању титанијума и челика

Постоје два главна уска грла у заваривању титанијума и нерђајућег челика:

1. Формирање крхких интерметалних једињењаТоком заваривања, реакције између Ti и Fe, Cr, Ni, C доводе до стварања тврдих и крхких фаза као што су TiFe, TiFe₂, TiCr₂, NiTi и TiC, што доводи до веома ниске пластичности и чини спојеве склоним кртом лому.
2. Неусклађеност коефицијената термичког ширења и високог заосталог напрезањаЗначајна разлика у термичким својствима ових материјала генерише велика унутрашња напрезања током процеса хлађења, што може лако изазвати хладне пукотине и деформације.

Традиционалне методе као што су лемљење, дифузионо спајање и заваривање трењем су сложене и неефикасне. Заваривање електронским снопом захтева вакуумско окружење, док конвенционално ласерско заваривање има потешкоћа са сузбијањем стварања крхких фаза, што их чини непогодним за поуздан дугорочни рад врхунске опреме.

3. Технологија прелазног слоја: Кључни пут ка решавању проблема заваривања титанијума и челика

Да би се спречио директан контакт између Ti и Fe, истраживачи обично користе Cu, Ni, Nb, Zr и друге материјале као средње прелазне слојеве. Међу њима, прелазни слојеви ванадијума (V) показују најбоље укупне перформансе:

• Одлична растворљивост ванадијума и код титанијума и код челика ефикасно спречава стварање крхких фаза.
• Тенг Ии ет ал. (2023)  Џанг Јан (2019) потврдили су да употреба ванадијума као међуслоја значајно побољшава чврстоћу и стабилност споја.

Међутим, традиционалне методе за припрему прелазних слојева често пате од слабог везивања и тешке контроле дебљине. Ласерско наношење се појавило као најбоље решење за припрему висококвалитетних прелазних слојева ванадијума.

4. Ласерско облагање: Основна технологија за повезивање титанијума и челика и високоперформансне премазе

Ласерско облагање користи високоенергетске ласере као извор топлоте за брзо топљење и очвршћавање металуршки везаног, ниско разблаженог, густог премаза или прелазног слоја. Тренутно је то најприкладнија напредна технологија површина за висококвалитетне индустријске примене.

Главне предности ласерског облагања:

1. Ниска стопа разблаживањаПрецизна контрола елементарне дифузије може строго сузбити међусобну дифузију Ti и Fe, спречавајући стварање крхких интерметалних једињења из извора.
2. Јако металуршко везивањеСлој постиже везу на атомском нивоу са подлогом, значајно побољшавајући поузданост и век трајања споја.
3. Прецизно и контролисано обликовањеЛасерско облагање омогућава флексибилну контролу над дебљином, морфологијом и саставом прелазних слојева, што га чини прилагодљивим сложеним структурама.
4. Мала зона утицаја топлотеМинимална деформација и низак напон, што га чини идеалним за спајање лаких легура попут титанијума и алуминијума са челицима високе чврстоће.
5. Мултифункционална интеграцијаИстовремено постиже високочврсто спајање, отпорност на хабање, отпорност на корозију, антибактеријска својства, хидрофобност и отпорност на високе температуре.
6. Стабилан процес и висока аутоматизацијаПогодно за масовну производњу, испуњава стандарде врхунске производње у ваздухопловству, нуклеарној енергији и бродоградњи.

5. Гранични напредак у мултифункционалним премазима заснованим на ласерском облагању

1. Ласерско облагање прелазним слојем ванадијума
   Ласерско облагање може припремити хомогене, густе прелазне слојеве ванадијума који ефикасно контролишу формирање σ-фазе, побољшавајући и чврстоћу и жилавост спојева титанијума/челика.
2. Антибактеријски суперхидрофобни премази за ласерско облагање
   За потребе поморског инжењерства, медицине и прехрамбених машина, ласерско облагање може створити суперхидрофобне премазе са ослобађањем јона сребра за синергијско антибактеријско дејство:
   1. Суперхидрофобни интерфејси смањују адхезију бактерија.
   1. Јони сребра пружају дуготрајно антибактеријско дејство.
   1. Ласерско облагање осигурава механичку отпорност на хабање и отпорност на корозију.
3. Премази за ласерско облагање од легура високе ентропије (HEA)
   Легуре високе ентропије нуде изузетно високу тврдоћу, одличну отпорност на хабање и отпорност на корозију. Коришћењем ултрабрзог ласерског облагања (EHLC), могу се постићи премази са финијим микроструктурама, мањим напоном и стабилнијим перформансама, што значајно продужава век трајања компоненти у екстремним условима.

6. Истраживачке празнине и будући трендови

Тренутно, већина премаза се фокусира на једну функцију. Будући развој ће се фокусирати на:

• Ласерско облагање + прелазни слој + интеграција мултифункционалних премаза.
• Синергија двофазних честица ретких земаља за ојачавање премаза легура високе ентропије.
• Спајање суперхидрофобних, антибактеријских, отпорних на хабање и отпорних на корозију својстава.
• Ласерско наношење велике брзине (EHLC) за ефикасне примене масовне производње.

7. Закључак

Поуздана веза између легура титанијума и нерђајућег челика је кључна технологија у производњи врхунске опреме. Ласерско наношење, са својом ниском стопом разблаживања, јаким металуршким везивањем, прецизном контролом и мултифункционалном интеграцијом, постало је најефикасније решење за решавање проблема кртости, напона и недостатака у перформансама код заваривања титанијума/челика. Од прецизне припреме прелазних слојева ванадијума до мултифункционалних антибактеријских хидрофобних премаза и арматуре од легура високе ентропије, ласерско наношење покреће еволуцију технологија повезивања од „традиционалног заваривања“ до „високоперформансног површинског инжењерства“, подржавајући будући развој лаганих, дуготрајних и високо поузданих индустријских примена.