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。
1.一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，其特征在于以下步骤：(1)配制合金化粉末
配制合金化粉末，合金化粉末包括作为合金化涂层的基质材料的WC/Co粉末、作为分散剂的SiC/Co和作为增韧相的Y2O3，其中，SiC/Co和Y2O3添加量分别为10-15wt.％和0.5-
将步骤(1)配置的WC/Co-SiC/Co-Y2O3合金化粉末放置于真空球磨机中低速混合球磨8-
15h，保证其成分均匀化；球磨后，将其放置于溶剂和粘结剂的混合物中，将合金化粉末调制成糊状；
(3)对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面激光合金化处理
3.1)将盾构隧道掘进机滚刀刀圈夹持于激光器工作台上，用砂纸打磨滚刀刀圈，去除其表面氧化皮和污物，并用溶液清洗表面；
3.2)将步骤(2)得到的糊状的纳米WC/Co-SiC/Co-Y2O3合金粉末均匀涂刷于滚刀刀圈表面，其层厚控制在0.2-0.5mm范围内；
3.3)涂层自然干燥后，启动激光器和数控机床对滚刀刀圈加工原点进行定位；在大气环境下按照单螺旋扫描轨迹对滚刀刀圈进行随形激光合金化处理；完成滚刀刀圈一面激光合金化处理后，将其翻转至另一面，重新对其进行原点定位，并按照与上述相同的扫描轨迹和工艺参数，对此面进行表面激光合金化处理；采用的工艺参数为激光功率2.0-3.0kW，光斑直径3-5mm，线扫描速度4-10mm/s，搭接量20-30％；
将步骤(3)进行激光合金化处理后的滚刀刀圈置于箱式炉中，在200-300℃温度下保温
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，步骤(1)中所述的WC/Co粉末粒度为60-100nm，SiC/Co粒度为80-120nm，Y2O3粒度为45-180μm。
3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于，步骤(2)中所述的溶剂和粘结剂的体积比为100:6，溶剂为无水乙醇，粘结剂为紫胶。
4.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于，步骤(2)中所述的真空球磨机转速为150-300r/min。
5.根据权利要求3所述的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，其特征在于，步骤(2)中所述的真空球磨机转速为150-300r/min。
6.根据权利要求1或2或5所述的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，其特征在于，步骤3.1)所述的溶液为丙酮溶液。
7.根据权利要求3所述的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，其特征在于，步骤3.1)所述的溶液为丙酮溶液。
8.根据权利要求4所述的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，其特征在于，步骤3.1)所述的溶液为丙酮溶液。
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
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 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。
[0007] 为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
[0008] 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，基于盾构隧道掘进机滚刀刀圈服役性能要求，进行合金化涂层材料的优化设计，并通过调控激光合金化工艺和后续热处理过程，在盾构隧道掘进机滚刀刀圈表面形成弥散分布的纳米颗粒增强合金化层，综合提高滚刀刀圈表面的力学性能，大幅提升其使用寿命。包括以下步骤：
[0009] (1)配制合金化粉末
[0010] 配制合金化粉末，所述的合金化粉末包括粒度为60-100nm的WC/Co粉末、粒度为80-120nm的SiC/Co和粒度为45-180μm的Y2O3，其中，SiC/Co和Y2O3添加量分别为10-15wt.％和0.5-1.5wt.％，其余为WC/Co粉末。WC/Co粉末为合金化涂层的基质材料，SiC/Co为分散剂，Y2O3粉末为增韧相。
[0011] 合金化粉末的设计思想为：利用纳米WC高硬度和纳米尺寸效应，综合提高合金化层的硬度、强度和耐磨性；利用SiC与WC在激光熔池中运动方向相反特性，抑制WC在激光合金化过程中沉降运动，以此提高纳米WC的分散性；纳米颗粒包覆Co可改善颗粒与基体之间界面结合特性，并可在一定程度上抑制因纳米尺寸效应而导致纳米颗粒发生团聚；利用稀土氧化物Y2O3净化液相成分作用，提高基体液相过冷度，进而通过晶粒细化，使基体达到良好的强韧性配合；
[0012] (2)制备糊状合金化粉末
[0013] 将步骤(1)配置的WC/Co-SiC/Co-Y2O3合金化粉末放置于真空球磨机中低速混合球磨8-15h，保证其成分均匀化；球磨后，将合金化粉末放置于溶剂和粘结剂的混合物中，将合金化粉末调制成糊状；所述的溶剂和粘结剂的体积比为100:6，溶剂为无水乙醇，粘结剂为紫胶；所述的球磨机转速为150-300r/min。
[0014] (3)对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面激光合金化处理
[0015] 3.1)将盾构隧道掘进机滚刀刀圈夹持于激光器工作台上，用砂纸打磨滚刀刀圈，去除其表面氧化皮和污物，并用溶液清洗表面。所述的溶液为丙酮溶液。
[0016] 3.2)将步骤(2)得到的糊状的纳米WC/Co-SiC/Co-Y2O3合金粉末均匀涂刷于滚刀刀圈表面，其层厚控制在0.2-0.5mm范围内；
[0017] 3.3)待涂层自然干燥后，启动激光器和数控机床对滚刀刀圈加工原点进行定位；在大气环境下按照单螺旋扫描轨迹对滚刀刀圈进行随形激光合金化处理；完成滚刀刀圈一面激光合金化处理后，将其翻转至另一面，重新对其进行原点定位，并按照与上述相同的扫描轨迹和工艺参数，对此面进行表面激光合金化处理。所采用的工艺参数为激光功率2.0-
3.0kW，光斑直径3-5mm，线扫描速度4-10mm/s，搭接量20-30％。
[0018] (4)激光合金化后续处理
[0019] 将步骤(3)进行激光合金化处理后的滚刀刀圈置于箱式炉中，在200-300℃温度下保温3-5h后，随炉冷却，消除在激光合金化过程中在合金化层内所产生的残余应力，避免其发生开裂。
[0020] 本发明的效果和益处是，采用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。沿海山体岩石复杂地质条件下的实际验证表明，经激光合金化处理的滚刀刀圈的使用寿命较未处理滚刀刀圈的寿命提高了4倍以上。
具体实施方式
[0021] 下面结合具体实施例，对本发明的技术方案进一步说明。
[0022] 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)的质量百分比进行配比，然后将其置于真空球磨机中，在200r/min转速下球磨10h，以使其成分均匀化。将混合好的合金化粉末置于玻璃器皿中，用体积比为100:6的无水乙醇和紫胶混合液将其调制成糊状；
[0023] 将盾构机滚刀刀圈夹持于5kW横流CO2激光器工作台上，依次选用300#和800#金相砂纸打磨刀圈，以去除其表面氧化皮和污物，并用丙酮溶液仔细清洗。然后将调制成糊状的合金粉末均匀涂刷于刀圈表面，其层厚约为0.4mm；待涂层自然干燥后，启动激光器和数控机床对工件加工原点进行定位，然后在大气环境下按照单螺旋扫描轨迹对滚刀刀圈进行随形激光合金化处理。所采用的具体工艺参数为激光功率2.5kW，光斑直径4mm，线扫描速度6mm/s，搭接量20％。待滚刀刀圈一面激光合金化完成后，将其翻转至另一面，重新对其进行定位，并按照与上述相同的扫描轨迹和工艺参数，对此面进行激光合金化处理；
[0024] 将经激光合金化处理滚刀刀圈置于箱式炉中，在250℃温度下保温5h。然后随炉冷却，以消除在激光合金化过程中在滚刀刀圈内部所产生的残余应力，避免其发生开裂。
[0025] 采用本发明能在用H13钢制成的滚刀刀圈表面得到0.8-1.2mm厚、具有高硬度和良好强韧性配合的合金化层。在沿海山体岩石复杂地质条件下的实际验证表明，经激光合金化处理的滚刀刀圈的使用寿命较未处理滚刀刀圈的寿命提高了4倍以上，即由原来的三周提高至三个月以上。按每次换刀直接经济损失为15万元计算，该技术的采用一次性即可节约资金达60万元以上，由此为生产厂商带来可观的社会和经济效益，且该技术兼有工艺简单、成本低、效率高等诸多优点。
