盾构滚刀材料表面镍基碳化钨涂层摩擦学性能研究

目的 盾构滚刀磨损是盾构施工中最常见的问题之一,为减缓刀具的剧烈磨损、延长刀具的使用寿命,采用等离子堆焊工艺在盾构滚刀表面制备镍基碳化钨涂层以强化滚刀性能,基于盾构滚刀服役的真实工况,研究滚刀涂层的摩擦学性能及其合理的评价方式.方法 对镍基碳化钨涂层在往复滑动、冲滑复合(冲击+滑动)两种相对运动模式下进行摩擦磨损试验研究.结果 制备镍基碳化钨涂层后可提高滚刀的耐磨性.往复滑动磨损后,镍基碳化钨涂层的磨痕宽度为0.42 mm,而H13钢的磨痕宽度达到0.78 mm,镍基碳化钨涂层的抗冲滑性能也明显优于H13钢.两种相对运动模式下镍基碳化钨涂层均主要承受磨粒磨损,但往复滑动模式下涂层存在局部剥落,而冲滑复合模式下则伴随一定的粘着磨损.结论在两种相对运动模式下,镍基碳化钨涂层表面的高硬度碳化钨颗粒都可阻止磨粒对较软镍基合金区域的切削与碰撞.相较往复滑动模式,冲滑复合模式下镍基碳化钨涂层要承受冲击和滑动的耦合作用,涂层的磨痕特征以及损伤形式都有明显的不同.采用冲滑复合运动模式的摩擦磨损试验能对盾构滚刀刀圈的摩擦学性能进行更全面、合理的研究及评价.     

基于残余应力分布优化的TBM滚刀刀圈激光熔覆涂层制备工艺研究

目的 为改善TBM(全断面隧道掘进机)涂层刀圈残余应力分布,针对刀圈涂层制备过程中的激光扫描路径开展研究,以优化刀圈涂层及涂层/基材界面的残余应力分布。方法 使用MSC. Marc 2016软件建立了刀圈涂层制备的三维完全热机耦合模型,通过试验验证了模型的准确性,并针对激光熔覆过程中扫描顺序、扫描方向和扫描终点夹角等3个工艺变量开展了应力场分析研究。结果 刀圈表面近涂层区周向/径向残余应力数值计算结果分布趋势与试验基本一致,且在涂层与基材结合的界面处,残余应力梯度达到最大,当激光扫描方向为安装孔到刃顶时,涂层刀圈残余应力的不合理分布得到了明显改善且应力最值显著降低,其中基材部分残余应力最高降低35 MPa,而调整扫描顺序和扫描终点夹角未能有效改善刀圈残余应力的分布及应力最值。结论 通过合理设计熔覆过程中的扫描路线,可以有效改善刀圈涂层的残余应力分布并降低残余应力最值,对延长TBM涂层刀圈服役寿命具有重要的指导意义。