耐磨合金粉末應(yīng)用于激光熔覆制造盾構(gòu)工具耐磨合金粉末應(yīng)用于激光熔覆制造盾構(gòu)工具 盾構(gòu)滾刀刀圈現(xiàn)狀 盾構(gòu)機(jī)滾刀作為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(guān)鍵性部件。盾構(gòu)機(jī)滾刀一般用在硬巖地層，在工作時(shí)，滾刀在盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)動(dòng)力的作用下與巖石產(chǎn)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(dǎo)致兩裂紋間的巖石塊脫落，達(dá)到破巖掘進(jìn)的目的。 滾刀根據(jù)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(gòu)滾刀刀圈特性分析 激光熔覆技術(shù)是通過在基體表面預(yù)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(yōu)于基體材質(zhì)的熔覆層，并與基體形成冶金結(jié)合狀態(tài)的一種技術(shù)。
3 激光熔覆滾刀刀圈室內(nèi)試驗(yàn) 室內(nèi)試驗(yàn)是在采用光面盾構(gòu)機(jī)滾刀刀圈上使用碳化鎢復(fù)合粉末材料，利用激光熔覆技術(shù)，制得綜合性能良好的耐磨耐沖擊性熔覆層。通過對(duì)所制得的盾構(gòu)刀圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和檢測(cè)，獲得熔覆層宏觀形貌、微觀組織、機(jī)械性能等資料，改善盾構(gòu)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(shù)值見表1。 利用光學(xué)顯微鏡對(duì)刀圈表面進(jìn)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(zhì)合金濃度高，同時(shí)不見裂紋)
3.4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析 室內(nèi)試驗(yàn)通過顯微鏡觀測(cè)及機(jī)械性能試驗(yàn)可以得出：采用激光熔覆技術(shù)在增強(qiáng)刀圈刃部耐磨性能的同時(shí)，又保留刀圈基體材料的強(qiáng)韌性，很好地解決盾構(gòu)滾刀刀圈在復(fù)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(xiàn)場(chǎng)使用效果 4.1 滾刀試用地層地質(zhì)概況 福州軌道交通L6的2標(biāo)4工區(qū)沙京站～中間風(fēng)井區(qū)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(zhì)土、（含砂）礫粗砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（碎裂狀）和中微風(fēng)化花崗巖。 本區(qū)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(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，基巖突起主要為中微風(fēng)化花崗巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度30～70 MPa；微風(fēng)化花崗巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度70.00～122.33 MPa。通過對(duì)該類地層實(shí)際獲取的巖樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，巖層最高強(qiáng)度達(dá)到187 MPa。本區(qū)間上軟、下硬地層段存在大量民房、墳?zāi)沟冉?gòu)筑物，施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大。
4.5 磨損情況對(duì)比 自2019年9月19日第540環(huán)安裝耐磨層刀具后，至2019年10月18日第552環(huán)6把刀具全部更換完成，過程中經(jīng)過4次換刀（以第540環(huán)為初始計(jì)算）。 第543環(huán)換刀。掘進(jìn)環(huán)數(shù)3環(huán)，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(huán)換刀。掘進(jìn)環(huán)數(shù)2環(huán)，累計(jì)5環(huán)，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(huán)換刀。掘進(jìn)4環(huán)，累計(jì)9環(huán)，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(hào)耐磨層刀具磨損量10mm[見圖7 b）]。
圖 7 磨損刀具對(duì)比圖
結(jié)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(yōu)異以及韌性好不開裂等特性。 2）激光盾構(gòu)機(jī)滾刀刀圈在面對(duì)復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)時(shí)，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(gòu)機(jī)的施工效率，減少開倉換刀頻率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，大大降低施工成本。
圖 2 刀圈表面熔覆層宏觀形貌(硬質(zhì)合金濃度高，同時(shí)不見裂紋) 3.4 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析 室內(nèi)試驗(yàn)通過顯微鏡觀測(cè)及機(jī)械性能試驗(yàn)可以得出：采用激光熔覆技術(shù)在增強(qiáng)刀圈刃部耐磨性能的同時(shí)，又保留刀圈基體材料的強(qiáng)韌性，很好地解決盾構(gòu)滾刀刀圈在復(fù)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(xiàn)場(chǎng)使用效果 4.1 滾刀試用地層地質(zhì)概況 福州軌道交通L6的2標(biāo)4工區(qū)沙京站～中間風(fēng)井區(qū)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(zhì)土、（含砂）礫粗砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（砂土狀）、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（碎裂狀）和中微風(fēng)化花崗巖。 本區(qū)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(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，基巖突起主要為中微風(fēng)化花崗巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度30～70 MPa；微風(fēng)化花崗巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度70.00～122.33 MPa。通過對(duì)該類地層實(shí)際獲取的巖樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，巖層最高強(qiáng)度達(dá)到187 MPa。本區(qū)間上軟、下硬地層段存在大量民房、墳?zāi)沟冉?gòu)筑物，施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大。 4.5 磨損情況對(duì)比 自2019年9月19日第540環(huán)安裝耐磨層刀具后，至2019年10月18日第552環(huán)6把刀具全部更換完成，過程中經(jīng)過4次換刀（以第540環(huán)為初始計(jì)算）。 第543環(huán)換刀。掘進(jìn)環(huán)數(shù)3環(huán)，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(huán)換刀。掘進(jìn)環(huán)數(shù)2環(huán)，累計(jì)5環(huán)，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(huán)換刀。掘進(jìn)4環(huán)，累計(jì)9環(huán)，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(hào)耐磨層刀具磨損量10 mm[見圖7 b）]。
圖 7 磨損刀具對(duì)比圖 結(jié)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(yōu)異以及韌性好不開裂等特性。 2）激光盾構(gòu)機(jī)滾刀刀圈在面對(duì)復(fù)雜巖土結(jié)構(gòu)時(shí)，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(gòu)機(jī)的施工效率，減少開倉換刀頻率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，大大降低施工成本。 |
