[发明专利]一种对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面激光合金化处理的方法

说明书

本发明提供一种对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面激光合金化处理的方法，属于材料表面改性技术领域。步骤包括：1)配置WC/Co‑SiC/Co‑Y₂O₃的合金化粉末；2)将合金化粉末真空球磨后，用无水乙醇和紫胶将其调制成糊状；3)对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面激光合金化处理；4)将合金化处理后的滚刀刀圈置于箱式炉中，200‑300℃温度下保温3‑5h后，随炉冷却。本发明得到具有合金化层的滚刀刀圈，可满足滚刀刀圈在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损复杂条件下服役的综合性能要求；工艺简单、成本低、效率高。

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，涉及一种采用激光合金化技术对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面强化处理的新方法。

背景技术

近年来，为了有效地解决城市交通矛盾与环保问题，充分发挥城市功能，诸如地铁、隧道等地下工程建设广泛采用了先进的盾构法施工技术，我国已经建成或正在建设的众多地铁工程都大量引进了盾构掘进机及特种切削刀具备件。然而由于山体岩石的高强度、高硬度与地质条件的复杂性及掘进机刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况下，使掘进机刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件，也是制约掘进效率的瓶颈，使刀具的费用占整个掘进成本的30％左右，而且国内90％以上的盾构机刀具都是从国外进口的。因此，采用先进的表面改性技术，在保持滚刀内部优良的强度和韧性的同时，综合提高其表面的硬度、耐磨性与耐热疲劳性能，对提高滚刀的耐用度有着重要的现实意义。

激光合金化技术是利用高能激光束，使基材表层和添加的合金元素熔化混合，从而形成以原基材为基的新的表面合金层。由于这项技术具有组织均匀致密、基体的热效应低、性能优异、柔性化程度高和工艺成本低廉等鲜明特点，而受到国内外相关研究领域的广泛关注。

随着激光合金化研究的不断深入，合金化材料已从具有某种性质的金属或非金属逐步发展到陶瓷材料。由于陶瓷材料具有高的抗氧化性、耐蚀性、耐磨性和低的导热系数等特性，是目前激光合金化研究最为广泛的一类合金化材料。研究所涉及的陶瓷种类十分繁多，不仅包括各种碳化物、氮化物、硼化物和氧化物，而且包括各种金属或合金包覆的硬质陶瓷颗粒。但由于陶瓷颗粒和基材之间的热物性参数存在较大差异，在激光合金化过程中易产生裂纹和孔隙等缺陷，在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的服役条件下，合金化层极易发生裂纹扩展、联通，甚至是脱落。而纳米陶瓷材料因其特殊的结构和尺寸效应，不仅具有优异的力学性能，且其表面和内部缺陷少，分散性高，可在一定程度上缓解界面应力集中，从而降低合金化层的开裂敏感性，并实现纳米陶瓷材料与基材形成良好的界面结合，起到硬质相增强作用。

纳米陶瓷颗粒的大小和分布是决定合金化层组织与性能的重要因素。在激光合金化过程中，以一定动能渗透到激光熔池内部的纳米陶瓷颗粒，由于自身的尺寸和运动特点，以及合金熔体的对流搅拌作用，会引起纳米颗粒之间的相互作用，使其发生聚合，甚至出现颗粒镶嵌式长大，从而失去其纳米尺寸效应。如果在纳米陶瓷颗粒表面包覆金属元素，形成核壳结构，则可在一定程度上抑制纳米陶瓷颗粒的团聚，同时进一步改善纳米陶瓷颗粒与基体之间的界面结合。但这种方法仍具有一定的局限性，其难以抑制纳米陶瓷颗粒因与合金熔体比重差所导致的上浮或沉降运动，使颗粒发生碰撞而相互聚合。如果在合金化粉体中同时引入两种运动完全相反的纳米陶瓷颗粒，利用它们间的相互阻碍作用，则可很好的解决因陶瓷颗粒自身运动而导致的团聚问题，提高陶瓷颗粒分布的均匀性。此外，稀土氧化物Y₂O₃具有净化液相成分、细化晶粒作用。如果按一定化学计量比添加在纳米颗粒中，会进一步提高合金化层的力学性能，以达到材料表面硬度、韧性、强度和耐磨等性能的完美结合。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用激光合金化技术对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面强化处理的方法，以满足滚刀刀圈在恶劣服役环境下承受强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损等性能要求的新方法。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：