超耐磨合金激光熔覆，助力盾構(gòu)機(jī)刀圈強(qiáng)化再升級(jí)，讓掘進(jìn)更高效
隨著軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為一種隧道挖掘機(jī)，起到了至關(guān)重要的作用。盾構(gòu)機(jī)主要包括了前盾、中盾、尾盾、刀盤及其他附件，而刀盤相當(dāng)于“排頭兵”，具有開(kāi)挖功能、穩(wěn)定功能及攪拌功能，是名副其實(shí)的核心部件。同時(shí)，滾刀對(duì)刀盤的使用又起到了功不可沒(méi)的作用。滾刀安裝在其前端，通過(guò)推力使其緊貼巖石表面，刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾刀一邊隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，一邊圍繞自身軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。施工時(shí)，若盾構(gòu)機(jī)推力小于巖石強(qiáng)度，會(huì)在巖石表面切出一系列同心圓溝槽；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力大于巖石本身強(qiáng)度時(shí)，巖石會(huì)被直接切碎。盾構(gòu)機(jī)破巖原理是將刀刃插入巖石，使巖石表面呈現(xiàn)放射性裂紋，隨后給滾刀施加推力，相鄰滾刀間巖石的裂紋就會(huì)延伸，從而變成碎片崩落，破巖完成。
滾刀由刀體、刀圈、擋圈、端蓋、軸承五大部分組成，刀圈是加熱到100～200℃安裝到刀體上。在盾構(gòu)機(jī)施工硬巖或上軟下硬、上硬下軟等復(fù)合地層時(shí)，中心滾刀在該類地層掘進(jìn)中磨損較快，而在上軟下硬地層中，滾刀偏磨現(xiàn)象比較常見(jiàn)，因此，刀圈屬于極易磨損件，超過(guò)磨損量閾值后則需要進(jìn)行更換。而盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)更換易損件屬于危大工程范疇，風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)要求高以及工作強(qiáng)度大，同時(shí)，也會(huì)大大提升生產(chǎn)周期及成本。因此，提高刀圈的使用壽命可大大減少更換次數(shù)，降低人力、物力的消耗，節(jié)約成本，也進(jìn)一步保障生產(chǎn)安全及周期可控，在工程實(shí)踐中具有重要的意義。
為了提高刀圈的使用壽命，目前普遍采用在刀圈工作區(qū)域表面沉積耐磨材料，一般選擇HRC55高硬度的材料，然后，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在表面獲得一層較硬的耐磨層。而由于目前常用的熔覆材料種類及加工工藝技術(shù)差異化明顯，實(shí)際獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也良莠不齊，往往存在熔覆層耐磨性能差、產(chǎn)品使用壽命短，甚至出現(xiàn)使用中掉塊、開(kāi)裂等現(xiàn)象，因此，在實(shí)際應(yīng)用中取得的改善效果并不明顯。
我司針對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀圈目前的使用工況，為某中鐵旗下客戶研制了適用于刀圈表面改性的超耐磨合金材料，可以兼顧超高硬度及結(jié)合面超高韌性兩大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，針對(duì)刀圈結(jié)構(gòu)，優(yōu)化激光熔覆路徑，將超耐磨合金材料送入高能量密度的激光作用區(qū)中，使超耐磨合金材料迅速熔化并與刀圈基體形成冶金結(jié)合，使得在刀圈表面獲取一層結(jié)合強(qiáng)度高的超耐磨合金層，并形成了完善的刀圈表面激光熔覆強(qiáng)化工藝規(guī)范，進(jìn)一步提升刀圈激光熔覆批量制造穩(wěn)定性。
我司開(kāi)發(fā)的新型復(fù)合粉末為鐵基粉末及具有超高硬度的第二相所構(gòu)成，第二相最高硬度可達(dá)到HV2600-3200，因此，該硬質(zhì)相的加入可大大提升熔覆層的整體硬度。同時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)不同比例粉末進(jìn)行多次反復(fù)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合粉末在一定比例時(shí)得到的超高耐磨合金層可同時(shí)滿足高硬度及結(jié)合面高韌性兩大優(yōu)勢(shì)，整體性能最佳。對(duì)熔覆層進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)其中的硬質(zhì)相比例達(dá)到了70%，耐磨層的平均硬度為HRC64以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基材的硬度，真正做到了內(nèi)里強(qiáng)韌外表超耐磨。
使用了我司超耐磨合金的刀圈產(chǎn)品在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工作中得到大量使用，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，超耐磨合金刀圈的平均使用壽命比傳統(tǒng)刀圈提升一倍以上，施工效率明顯提升，大幅降低了工程人員的工作量。目前我司配備多臺(tái)刀圈激光熔覆平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)批量的刀圈熔覆加工。而且我司在現(xiàn)有的技術(shù)上，針對(duì)不同的巖層環(huán)境，結(jié)合客戶反饋數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行材料性能優(yōu)化，進(jìn)一步完善刀圈激光熔覆工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，力爭(zhēng)將刀圈的品質(zhì)不斷提升，服務(wù)更多的施工單位。
