本發(fā)明屬于材料表面改性技術(shù)領域，涉及一種采用激光合金化技術(shù)對盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈進行表面強化處理的新方法。
背景技術(shù)：
近年來，為了有效地解決城市交通矛盾與環(huán)保問題，充分發(fā)揮城市功能，諸如地鐵、隧道等地下工程建設廣泛采用了先進的盾構(gòu)法施工技術(shù)，我國已經(jīng)建成或正在建設的眾多地鐵工程都大量引進了盾構(gòu)掘進機及特種切削刀具備件。然而由于山體巖石的高強度、高硬度與地質(zhì)條件的復雜性及掘進機刀具工作在強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損的惡劣工況下，使掘進機刀具成為掘進過程中最易損壞的零部件，也是制約掘進效率的瓶頸，使刀具的費用占整個掘進成本的30％左右，而且國內(nèi)90％以上的盾構(gòu)機刀具都是從國外進口的。因此，采用先進的表面改性技術(shù)，在保持滾刀內(nèi)部優(yōu)良的強度和韌性的同時，綜合提高其表面的硬度、耐磨性與耐熱疲勞性能，對提高滾刀的耐用度有著重要的現(xiàn)實意義。
激光合金化技術(shù)是利用高能激光束，使基材表層和添加的合金元素熔化混合，從而形成以原基材為基的新的表面合金層。由于這項技術(shù)具有組織均勻致密、基體的熱效應低、性能優(yōu)異、柔性化程度高和工藝成本低廉等鮮明特點，而受到國內(nèi)外相關研究領域的廣泛關注。
隨著激光合金化研究的不斷深入，合金化材料已從具有某種性質(zhì)的金屬或非金屬逐步發(fā)展到陶瓷材料。由于陶瓷材料具有高的抗氧化性、耐蝕性、耐磨性和低的導熱系數(shù)等特性，是目前激光合金化研究最為廣泛的一類合金化材料。研究所涉及的陶瓷種類十分繁多，不僅包括各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物，而且包括各種金屬或合金包覆的硬質(zhì)陶瓷顆粒。但由于陶瓷顆粒和基材之間的熱物性參數(shù)存在較大差異，在激光合金化過程中易產(chǎn)生裂紋和孔隙等缺陷，在強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損的服役條件下，合金化層極易發(fā)生裂紋擴展、聯(lián)通，甚至是脫落。而納米陶瓷材料因其特殊的結(jié)構(gòu)和尺寸效應，不僅具有優(yōu)異的力學性能，且其表面和內(nèi)部缺陷少，分散性高，可在一定程度上緩解界面應力集中，從而降低合金化層的開裂敏感性，并實現(xiàn)納米陶瓷材料與基材形成良好的界面結(jié)合，起到硬質(zhì)相增強作用。
納米陶瓷顆粒的大小和分布是決定合金化層組織與性能的重要因素。在激光合金化過程中，以一定動能滲透到激光熔池內(nèi)部的納米陶瓷顆粒，由于自身的尺寸和運動特點，以及合金熔體的對流攪拌作用，會引起納米顆粒之間的相互作用，使其發(fā)生聚合，甚至出現(xiàn)顆粒鑲嵌式長大，從而失去其納米尺寸效應。如果在納米陶瓷顆粒表面包覆金屬元素，形成核殼結(jié)構(gòu)，則可在一定程度上抑制納米陶瓷顆粒的團聚，同時進一步改善納米陶瓷顆粒與基體之間的界面結(jié)合。但這種方法仍具有一定的局限性，其難以抑制納米陶瓷顆粒因與合金熔體比重差所導致的上浮或沉降運動，使顆粒發(fā)生碰撞而相互聚合。如果在合金化粉體中同時引入兩種運動完全相反的納米陶瓷顆粒，利用它們間的相互阻礙作用，則可很好的解決因陶瓷顆粒自身運動而導致的團聚問題，提高陶瓷顆粒分布的均勻性。此外，稀土氧化物y2o3具有凈化液相成分、細化晶粒作用。如果按一定化學計量比添加在納米顆粒中，會進一步提高合金化層的力學性能，以達到材料表面硬度、韌性、強度和耐磨等性能的完美結(jié)合。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種采用激光合金化技術(shù)對盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈進行表面強化處理的方法，以滿足滾刀刀圈在惡劣服役環(huán)境下承受強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損等性能要求的新方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
一種對盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈進行表面激光合金化處理的方法，基于盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈服役性能要求，進行合金化涂層材料的優(yōu)化設計，并通過調(diào)控激光合金化工藝和后續(xù)熱處理過程，在盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈表面形成彌散分布的納米顆粒增強合金化層，綜合提高滾刀刀圈表面的力學性能，大幅提升其使用壽命。包括以下步驟：
(1)配制合金化粉末
配制合金化粉末，所述的合金化粉末包括粒度為60-100nm的wc/co粉末、粒度為80-120nm的sic/co和粒度為45-180μm的y2o3，其中，sic/co和y2o3添加量分別為10-15wt.％和0.5-1.5wt.％，其余為wc/co粉末。wc/co粉末為合金化涂層的基質(zhì)材料，sic/co為分散劑，y2o3粉末為增韌相。
合金化粉末的設計思想為：利用納米wc高硬度和納米尺寸效應，綜合提高合金化層的硬度、強度和耐磨性；利用sic與wc在激光熔池中運動方向相反特性，抑制wc在激光合金化過程中沉降運動，以此提高納米wc的分散性；納米顆粒包覆co可改善顆粒與基體之間界面結(jié)合特性，并可在一定程度上抑制因納米尺寸效應而導致納米顆粒發(fā)生團聚；利用稀土氧化物y2o3凈化液相成分作用，提高基體液相過冷度，進而通過晶粒細化，使基體達到良好的強韌性配合；
(2)制備糊狀合金化粉末
將步驟(1)配置的wc/co-sic/co-y2o3合金化粉末放置于真空球磨機中低速混合球磨8-15h，保證其成分均勻化；球磨后，將合金化粉末放置于溶劑和粘結(jié)劑的混合物中，將合金化粉末調(diào)制成糊狀；所述的溶劑和粘結(jié)劑的體積比為100:6，溶劑為無水乙醇，粘結(jié)劑為紫膠；所述的球磨機轉(zhuǎn)速為150-300r/min。
(3)對盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈進行表面激光合金化處理
3.1)將盾構(gòu)隧道掘進機滾刀刀圈夾持于激光器工作臺上，用砂紙打磨滾刀刀圈，去除其表面氧化皮和污物，并用溶液清洗表面。所述的溶液為丙酮溶液。
3.2)將步驟(2)得到的糊狀的納米wc/co-sic/co-y2o3合金粉末均勻涂刷于滾刀刀圈表面，其層厚控制在0.2-0.5mm范圍內(nèi)；
3.3)待涂層自然干燥后，啟動激光器和數(shù)控機床對滾刀刀圈加工原點進行定位；在大氣環(huán)境下按照單螺旋掃描軌跡對滾刀刀圈進行隨形激光合金化處理；完成滾刀刀圈一面激光合金化處理后，將其翻轉(zhuǎn)至另一面，重新對其進行原點定位，并按照與上述相同的掃描軌跡和工藝參數(shù)，對此面進行表面激光合金化處理。所采用的工藝參數(shù)為激光功率2.0-3.0kw，光斑直徑3-5mm，線掃描速度4-10mm/s，搭接量20-30％。
(4)激光合金化后續(xù)處理
將步驟(3)進行激光合金化處理后的滾刀刀圈置于箱式爐中，在200-300℃溫度下保溫3-5h后，隨爐冷卻，消除在激光合金化過程中在合金化層內(nèi)所產(chǎn)生的殘余應力，避免其發(fā)生開裂。
本發(fā)明的效果和益處是，采用本發(fā)明得到具有合金化層的滾刀刀圈，可滿足滾刀刀圈在強擠壓、大扭矩、強沖擊、高磨損復雜條件下服役的綜合性能要求；工藝簡單、成本低、效率高。沿海山體巖石復雜地質(zhì)條件下的實際驗證表明，經(jīng)激光合金化處理的滾刀刀圈的使用壽命較未處理滾刀刀圈的壽命提高了4倍以上。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步說明。
按照89.0％wc/co(粒度60-100nm)、10.0％sic/co(粒度80-120nm)和1.0％y2o3(粒度45-180μm)的質(zhì)量百分比進行配比，然后將其置于真空球磨機中，在200r/min轉(zhuǎn)速下球磨10h，以使其成分均勻化。將混合好的合金化粉末置于玻璃器皿中，用體積比為100:6的無水乙醇和紫膠混合液將其調(diào)制成糊狀；
將盾構(gòu)機滾刀刀圈夾持于5kw橫流co2激光器工作臺上，依次選用300#和800#金相砂紙打磨刀圈，以去除其表面氧化皮和污物，并用丙酮溶液仔細清洗。然后將調(diào)制成糊狀的合金粉末均勻涂刷于刀圈表面，其層厚約為0.4mm；待涂層自然干燥后，啟動激光器和數(shù)控機床對工件加工原點進行定位，然后在大氣環(huán)境下按照單螺旋掃描軌跡對滾刀刀圈進行隨形激光合金化處理。所采用的具體工藝參數(shù)為激光功率2.5kw，光斑直徑4mm，線掃描速度6mm/s，搭接量20％。待滾刀刀圈一面激光合金化完成后，將其翻轉(zhuǎn)至另一面，重新對其進行定位，并按照與上述相同的掃描軌跡和工藝參數(shù)，對此面進行激光合金化處理；
將經(jīng)激光合金化處理滾刀刀圈置于箱式爐中，在250℃溫度下保溫5h。然后隨爐冷卻，以消除在激光合金化過程中在滾刀刀圈內(nèi)部所產(chǎn)生的殘余應力，避免其發(fā)生開裂。
采用本發(fā)明能在用h13鋼制成的滾刀刀圈表面得到0.8-1.2mm厚、具有高硬度和良好強韌性配合的合金化層。在沿海山體巖石復雜地質(zhì)條件下的實際驗證表明，經(jīng)激光合金化處理的滾刀刀圈的使用壽命較未處理滾刀刀圈的壽命提高了4倍以上，即由原來的三周提高至三個月以上。按每次換刀直接經(jīng)濟損失為15萬元計算，該技術(shù)的采用一次性即可節(jié)約資金達60萬元以上，由此為生產(chǎn)廠商帶來可觀的社會和經(jīng)濟效益，且該技術(shù)兼有工藝簡單、成本低、效率高等諸多優(yōu)點。