耐磨合金粉末應用于激光熔覆制造盾構工具耐磨合金粉末應用于激光熔覆制造盾構工具 盾構滾刀刀圈現狀 盾構機滾刀作為盾構機掘進施工的主要部件，由刀圈、刀體、刀軸和軸承等組成，其中刀圈是作為直接破碎巖土的關鍵性部件。盾構機滾刀一般用在硬巖地層，在工作時，滾刀在盾構機前進動力的作用下與巖石產生擠壓，形成放射狀裂紋，兩相鄰的放射狀裂紋相互延伸貫穿在一起，導致兩裂紋間的巖石塊脫落，達到破巖掘進的目的。 滾刀根據刀圈形式的不同，可分為普通光面滾刀和鑲嵌合金塊的鑲齒滾刀。兩種滾刀的刀圈見圖1。
2 激光熔覆盾構滾刀刀圈特性分析 激光熔覆技術是通過在基體表面預涂一層熔覆材料或與激光同步送粉的方法將熔覆粉末送至基體表面，利用高能量密度的激光束將粉末與部分基體熔化，使之在基體表面形成一層性能優于基體材質的熔覆層，并與基體形成冶金結合狀態的一種技術。
3 激光熔覆滾刀刀圈室內試驗 室內試驗是在采用光面盾構機滾刀刀圈上使用碳化鎢復合粉末材料，利用激光熔覆技術，制得綜合性能良好的耐磨耐沖擊性熔覆層。通過對所制得的盾構刀圈進行實驗室模擬試驗和檢測，獲得熔覆層宏觀形貌、微觀組織、機械性能等資料，改善盾構滾刀刀圈的性能。
3.1 刀圈表面熔覆層宏觀形貌 為了在不降低滾刀刀圈本體韌性的前提下，提高熔覆層的耐磨性，考慮熔覆層基本厚度2 mm，厚度數值見表1。 利用光學顯微鏡對刀圈表面進行觀察，圖2為刀圈表面熔覆層宏觀形貌。 圖 2 刀圈表面熔覆層宏觀形貌(硬質合金濃度高，同時不見裂紋)
3.4 室內試驗結果分析 室內試驗通過顯微鏡觀測及機械性能試驗可以得出：采用激光熔覆技術在增強刀圈刃部耐磨性能的同時，又保留刀圈基體材料的強韌性，很好地解決盾構滾刀刀圈在復合地層中的耐磨性和抗沖擊性能不能兼顧的問題。
4 激光熔覆滾刀刀圈現場使用效果 4.1 滾刀試用地層地質概況 福州軌道交通L6的2標4工區沙京站～中間風井區間長910.253 m，埋深10.2 ～18.3 m，最小平曲線半徑550 m，最大坡度2.4%。隧道洞身穿越地層主要為：淤泥質土、（含砂）礫粗砂、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖（砂土狀）、強風化花崗巖（碎裂狀）和中微風化花崗巖。 本區間先、后穿越兩段基巖凸起山包段，長度約350 m，該范圍存在基巖凸起。根據地質勘察報告，基巖突起主要為中微風化花崗巖，巖石單軸抗壓強度30～70 MPa；微風化花崗巖，巖石單軸抗壓強度70.00～122.33 MPa。通過對該類地層實際獲取的巖樣進行抗壓試驗，巖層最高強度達到187 MPa。本區間上軟、下硬地層段存在大量民房、墳墓等建構筑物，施工難度高、風險大。
4.5 磨損情況對比 自2019年9月19日第540環安裝耐磨層刀具后，至2019年10月18日第552環6把刀具全部更換完成，過程中經過4次換刀（以第540環為初始計算）。 第543環換刀。掘進環數3環，更換刀具12把，其中偏磨10把，2把磨損12 mm，其余磨損量均小于5 mm，無耐磨層刀具更換。 第545環換刀。掘進環數2環，累計5環，更換刀具10把，其中偏磨及刀圈破裂8把，周邊刀兩把磨損量為10 mm、11 mm，其余磨損量≤5mm。33#耐磨層刀具偏磨[見圖7 a）]。 第549環換刀。掘進4環，累計9環，更換刀具7把，其中偏磨及刀圈破裂5把，磨損量超10 mm兩把。35號耐磨層刀具磨損量10mm[見圖7 b）]。
圖 7 磨損刀具對比圖
結語
1）由鎳基碳化鎢加工出來的耐磨性熔覆層具有超高硬度、耐磨性能幾優異以及韌性好不開裂等特性。 2）激光盾構機滾刀刀圈在面對復雜巖土結構時，能夠有效降低刀圈的磨損，延長使用壽命。 3）如果整盤使用耐磨性熔覆層刀圈，可提高盾構機的施工效率，減少開倉換刀頻率，降低施工風險，大大降低施工成本。
圖 2 刀圈表面熔覆層宏觀形貌(硬質合金濃度高，同時不見裂紋) 3.4 室內試驗結果分析 室內試驗通過顯微鏡觀測及機械性能試驗可以得出：采用激光熔覆技術在增強刀圈刃部耐磨性能的同時，又保留刀圈基體材料的強韌性，很好地解決盾構滾刀刀圈在復合地層中的耐磨性和抗沖擊性能不能兼顧的問題。 4 激光熔覆滾刀刀圈現場使用效果 4.1 滾刀試用地層地質概況 福州軌道交通L6的2標4工區沙京站～中間風井區間長910.253 m，埋深10.2 ～ 18.3 m，最小平曲線半徑550 m，最大坡度2.4%。隧道洞身穿越地層主要為：淤泥質土、（含砂）礫粗砂、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖（砂土狀）、強風化花崗巖（碎裂狀）和中微風化花崗巖。 本區間先、后穿越兩段基巖凸起山包段，長度約350 m，該范圍存在基巖凸起。根據地質勘察報告，基巖突起主要為中微風化花崗巖，巖石單軸抗壓強度30～70 MPa；微風化花崗巖，巖石單軸抗壓強度70.00～122.33 MPa。通過對該類地層實際獲取的巖樣進行抗壓試驗，巖層最高強度達到187 MPa。本區間上軟、下硬地層段存在大量民房、墳墓等建構筑物，施工難度高、風險大。 4.5 磨損情況對比 自2019年9月19日第540環安裝耐磨層刀具后，至2019年10月18日第552環6把刀具全部更換完成，過程中經過4次換刀（以第540環為初始計算）。 第543環換刀。掘進環數3環，更換刀具12把，其中偏磨10把，2把磨損12 mm，其余磨損量均小于5 mm，無耐磨層刀具更換。 第545環換刀。掘進環數2環，累計5環，更換刀具10把，其中偏磨及刀圈破裂8把，周邊刀兩把磨損量為10 mm、11 mm，其余磨損量≤5 mm。33#耐磨層刀具偏磨[見圖7 a）]。 第549環換刀。掘進4環，累計9環，更換刀具7把，其中偏磨及刀圈破裂5把，磨損量超10 mm兩把。35號耐磨層刀具磨損量10 mm[見圖7 b）]。
圖 7 磨損刀具對比圖 結語 1）由鎳基碳化鎢加工出來的耐磨性熔覆層具有超高硬度、耐磨性能幾優異以及韌性好不開裂等特性。 2）激光盾構機滾刀刀圈在面對復雜巖土結構時，能夠有效降低刀圈的磨損，延長使用壽命。 3）如果整盤使用耐磨性熔覆層刀圈，可提高盾構機的施工效率，減少開倉換刀頻率，降低施工風險，大大降低施工成本。 |
