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等離子熔覆在盾構刀具中的應用
等離子體熔覆 編輯:王生勇 |
在各類廣泛應用的表面工程技術中,激光熔覆、等離子轉移弧熔覆、火焰噴涂以及等離子噴涂均可以制備較厚的涂層。由于火焰噴涂及等離子噴涂會產生巨大的噪聲,以及大量的灰塵及紫外線,因此會嚴重污染環境;同時,在噴涂過程中,合金粉末經過高溫區域時,其中的部分合金元素會被氧化,甚至燒蝕掉。另外,火焰噴涂及等離子噴涂技術制備的涂層與基底之間是機械結合,因此,涂層不能承受較大的載荷及沖擊。由于激光的能量轉換率很低(大約只有10%-25%之間),而且由于設備費用很高,因此其應用受到了限制;同時,其應用還依賴于塊體材料的反射率,因此,激光熔覆工藝的大規模工業應用目前仍受到很大限制。等離子轉移弧熔覆技術焰流具有極高溫度(高達20,000-30,000℃),優異的電弧穩定性,工件熱變形率低,以及涂敷速度快等優點。等離子熔覆技術是上述各種表面改性工藝中的較理想的一種。近幾年在該領域研究取得了很多進展。 Cr7C3以高的硬度,優異的耐磨性,以及耐腐蝕抗氧化性能著稱,因此,常用作復合涂層中的強化相。鐵基底中的固溶體γ-Fe具有良好的延展性以及很高的強度,同時可與硬質相Cr7C3兼容。因此,包含碳化物(Cr,Fe)7C3 強化相,并且以韌性相γ-Fe-(Cr,Fe)7C3共晶相為織構的復合涂層,在干滑動磨損的條件下,具有優異的耐磨性能 DML-V03BD型等離子轉移弧熔覆裝置 等離子體熔覆(Cr,Fe)7C3復合涂層的制備及其性能 等離子熔覆復合涂層的XRD衍射圖譜 經使用(wt.%) Fe-38Cr-4.5C-5Ni的粉末等離子熔覆后, 等離子熔覆(Cr, Fe)7C3增強復合涂層的典型微觀結構 涂層的顯微組織結構為大量不規則塊狀增強相和少量樹枝狀晶組成, (Cr,Fe)7C3增強復合涂層的共晶組織SEM形貌 由于碳化物(Cr,Fe)7C3具有很高的熔點,同時在凝固過程中,(Cr,Fe)7C3具有最負的自由形成能,因此在凝固過程中,(Cr,Fe)7C3相首先從熔液中析出。隨著凝固過程的進行,殘余的熔融中Cr及C元素含量極其微弱,此時發生共晶轉變。形成了如上圖所示的細晶(Cr,Fe)7C3共晶組織。由于鐵基固溶體γ中Ni元素達到飽和狀態,可以假設,由于細晶的增強作用,以及固溶強化作用,(Cr,Fe)7C3/γ-Fe共晶組織的強度和韌性可以得到很大程度的提高。 樣品磨痕表面SEM形貌:(a) 45鋼;(b) (Cr,Fe)7C3碳化物增強復合涂層 等離子熔覆(Cr,Fe)7C3增強復合涂層的相對耐磨性比對比試樣45鋼高35倍。 等離子體熔覆對盾構刀具的處理 利用等離子熔敷技術,使用質量分數(wt.%) Fe–38Cr–4.5C–5Ni的粉末在盾構刀具后刀面上制備了(Cr,Fe)7C3復合涂層。經過利用等離子熔覆技術進行處理后的盾構刀具外觀如下圖所示。將處理后的刀具應用到北京地鐵十號線第九標段的施工現場。在此施工標段,由于土質較好,盾構刀具的磨損都比較輕微,盾構機的推進效率也比較高,達到1.5環/日。盾構機在此標段推進3.8km(往復兩個標段,即相當于四個標段)到達接收井后,我們在現場檢驗了刀具的磨損狀況,將經鍍膜處理前后的刀具進行了對比。 采用等離子熔覆技術對后刀面進行處理后的盾構刀具 經熔覆處理的刀具在推進3.8km后的外觀 熔覆處理前后的刀具推進3.8km后的對比 未經處理的盾構刀具,在推進3.8km后,后刀面的高度下降很多,硬質合金刀片已經有很大程度的暴露;而經等離子熔覆技術制備了(Cr,Fe)7C3復合涂層的盾構刀具,其涂層仍然存在,只有極輕微的磨損跡象,后刀面刀體部分沒有發生絲毫的磨損。 等離子熔覆技術制備的硬質復合涂層,能夠適應盾構刀具苛刻的服役條件,能夠有效的提高刀具的使用壽命,大大降低地鐵施工過程中刀具的成本,以及更換刀具所引起的危險及工時的浪費,顯著提高地鐵施工的效率,以降低整個地鐵施工的成本,具有很好的推廣應用的價值。 |
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