一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法 (Preparation method of self-lubricating hard composite coating on surface of shield machine cutter ) 是由 周嘉利 程延海 韩正铜 杨金勇 王情情 陈浩 韩忠臣 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法,刀具基体材料为高速钢,采用激光熔覆在刀具基体表面依次制备NiCoCrAlY粘黏层和WC-TiC-NbC-Co-Ti-(3)AlC-(2)涂层。本发明所制备的WC-TiC-NbC-Co-Ti-(3)AlC-(2)涂层无裂纹并且和基体形成良好的冶金结合,NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。WC-TiC-NbC-Co-Ti-(3)AlC-(2)体系中,WC、TiC和NbC均为硬质相使涂层具有高硬度,Co起到连接硬质相的作用,Ti-(3)AlC-(2)具有良好的自润滑性能,极大的降低了涂层的摩擦因数。该涂层具有高硬度和良好的耐磨损能力,极大地提高了盾构机刀具的切削能力,延长了刀具的使用寿命。(A method for preparing self-lubricating hard composite coating on the surface of shield machine tool includes using high-speed steel as base material of tool, preparing NiCoCrAlY adhesive layer and WC-TiC-NbC-Co-Ti in sequence on the surface of tool base by laser cladding 3 AlC 2 And (4) coating. The WC-TiC-NbC-Co-Ti prepared by the invention 3 AlC 2 The coating has no cracksAnd the NiCoCrAlY adhesive layer has good adhesion effect. WC-TiC-NbC-Co-Ti 3 AlC 2 In the system, WC, TiC and NbC are hard phases so that the coating has high hardness, Co plays a role in connecting the hard phases, and Ti 3 AlC 2 Has good self-lubricating performance, and greatly reduces the friction factor of the coating. The coating has high hardness and good wear resistance, greatly improves the cutting capability of the shield machine cutter, and prolongs the service life of the cutter.)
技术领域
本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法。
背景技术
近年来，盾构机在城市隧道开挖中得到广泛应用，而盾构机在砂卵石地层中工作时其刀具磨损严重。盾构机在施工时不得不频繁开仓换刀，这增加了施工费用并降低了盾构机工作效率，因此，提高盾构机刀具的耐磨损能力具有重要意义。
用激光熔覆在高速钢表面制备硬质刀具涂层，可以使刀具达到外硬里韧的效果，既可以提高刀具的硬度和耐磨性能，又可以具有高的冲击韧性与抗弯强度。然而，由于硬质涂层较脆，并且激光熔覆的冷却速度极大，容易在涂层内部产生较大的残余应力导致涂层开裂、基体和涂层结合强度低等问题。此外，硬质合金涂层具有良好的切削能力，但涂层中的硬质相脱落会增大摩擦因数，并造成严重的磨粒磨损导致涂层磨损加剧，因此涂层既要有高硬度还需要有低的摩擦因数。为此，开发一种具有高硬度和低摩擦因数的盾构机刀具涂层可以极大地提高盾构机刀具的使用寿命和工作效率，具有重要的工程应用价值。
公开号为CN110205624A的专利公开了一种叠层硬涂层自润滑刀具及其制备方法，该方法是通过激光熔覆在高速钢表面依次制备了硬质合金层、氧化铝陶瓷层和立方氮化硼层，但该方法中存在涂层-基体结合不紧密的缺点，且未公布该自润滑刀具的硬度和摩擦因数等性能参数；公开号为CN103522652A的专利公开了一种激光熔覆软硬复合涂层自润滑刀具的制备方法，该方法采用激光熔覆在刀具前刀面熔覆MoS2或WS2自润滑软涂层与纳米A2O3陶瓷或超细硬质合金等硬涂层的复合涂层，但MoS2和WS2高温易分解，该刀具不适用于高温环境；公开号为CN105925941A的专利公开了TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr组合润滑涂层刀具及其制备工艺，该方法用电弧离子镀和非平衡磁控溅射在高速钢上复合沉积了TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr涂层，但该方法成本较高且工艺复杂且只能减少20～25％的刀具磨损量，其减磨效果较差。以上技术存在涂层-基体结合不紧密，耐高温性能差，工艺复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法，该方法工艺简单，能够提高涂层与基体的结合紧密度，提高刀具表面的硬度，降低刀具表面的摩擦因数，从而增强刀具的耐磨损能力，提高刀具的切削能力，延长刀具的使用寿命。
为了实现上述目的，本发明提供了一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法，刀具基体材料为高速钢，以NiCoCrAlY合金粉末和WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末作为涂层材料，采用激光熔覆在刀具基体表面依次制备NiCoCrAlY粘黏层和WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层。
优选的，WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：WC粉78～79％、TiC粉5.1～5.6％、NbC粉3.5～3.7％、Ti3AlC2粉6.2～6.5％、余量的Co粉；WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末粒度为50～100μm。
进一步的，将WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在NiCoCrAlY粘黏层表面，送粉速度10～14mL/min，送气速度8～12L/min，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1200～1600W的激光，在光斑直径3～5mm、激光扫描速度为3～5mm/s的激光熔覆工艺条件下，对WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末进行激光扫描。
进一步的，将NiCoCrAlY合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在刀具基体表面，送粉速度9～11mL/min，送气速度8～12L/min，送粉气和保护气都采用氩气；以功率900～1200W的激光，在光斑直径3～5mm、激光扫描速度为4～6mm/s的激光熔覆工艺条件下，对NiCoCrAlY合金粉末进行激光扫描。
优选的，NiCoCrAlY合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：Co粉22～24％、Cr粉16～18％、Al粉11.5～12.5％、Y粉0.4～0.6％、余量的Ni粉；NiCoCrAlY合金粉末粒度为50～100μm。
优选的，NiCoCrAlY粘黏层的厚度为0.25～0.4mm；WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层厚度为1.2～1.5mm。
进一步的，激光熔覆制备NiCoCrAlY粘黏层后对粘黏层表面进行机械研磨。
进一步的，在激光扫描熔覆前，用砂纸对刀具基体表面进行打磨，并用溶剂清洗，清洗后再经过淬火和回火处理。
优选的，高速钢的型号为T-4241，高速钢由以下质量分数的成分构成：0.9～1％C、1.5～2.5％W、3.8～4.4％Cr、0.5～1.2％Mo、0.2～0.4％Mn、0.5～1％Si、余量的Fe。
本发明中NiCoCrAlY涂层致密、结合强度大，耐腐蚀和气蚀，能耐982℃高温，抗氧化性能优良，常用作高温耐热涂层的粘结过渡层；WC-TiC-NbC-Co四元合金具有高硬度，能耐850～1000℃的高温，切削速度可比高速钢高4～10倍；Ti3AlC2是MAX自润滑相，其晶胞结构中，Ti和C为强共价键，Al在其中只有弱结合力，Al平面易发生滑移，因此Ti3AlC2具有自润滑性能。
本发明所制备的WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层无裂纹并且和基体形成良好的冶金结合，NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。对所得涂层进行性能测试，得到涂层的硬度为1030～1070HV1，摩擦因数为0.33～0.35，磨损率为5.8～6.1μm3·N-1·mm-1。WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2体系中，WC、TiC和NbC均为硬质相使涂层具有高硬度，Co起到连接硬质相的作用，Ti3AlC2具有良好的自润滑性能，极大的降低了涂层的摩擦因数。本发明工艺简单，所制备得到的涂层与刀具基体的结合紧密度高，该涂层提高了刀具表面的硬度，降低了刀具表面的摩擦因数，从而增强了刀具的耐磨损能力，极大地提高了刀具的切削能力，延长了刀具的使用寿命。
附图说明
图1为实施例制备得到的涂层断面结构示意图；
图2为实施例一制备得到的涂层断面形貌的SEM图；
图3为实施例一制备得到的涂层断面硬度分布图；
图4为实施例一制备得到的涂层的摩擦因数-时间曲线；
图5为实施例一制备得到的涂层的磨痕轮廓曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法，刀具基体材料为T-4241高速钢，由以下质量分数的成分构成：0.9～1％C、1.5～2.5％W、3.8～4.4％Cr、0.5～1.2％Mo、0.2～0.4％Mn、0.5～1％Si、余量的Fe；具体包括以下步骤：
(1)用80～1200#砂纸对刀具基体表面进行打磨，并用酒精清洗，清洗后再经过淬火和回火处理；
(2)制备NiCoCrAlY合金粉末：该合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：Co粉23％、Cr粉17％、Al粉12％、Y粉0.5％、余量的Ni粉；制备WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末，该粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：WC粉78.5％、TiC粉5.6％、NbC粉3.7％、Ti3AlC2粉6.5％、余量的Co粉；两种合金粉末粒度均为50～100μm；两种合金粉末采用QM–3SP04L型行星球磨机将粉末混合均匀，球磨参数：转速600r/min，时间2.5h，温度为室温；两种合金粉末分别放入101-00B型电热鼓风恒温干燥箱在120℃下干燥1h，以确保粉末不受潮且具有良好的流动性；
(3)激光熔覆在ZKSX–2000W型光纤耦合激光喷涂系统上进行，将NiCoCrAlY合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在刀具基体表面，送粉速度10mL/min，送气速度10L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1000W的激光，在光斑直径4mm、激光扫描速度为5mm/s的激光熔覆工艺条件下，对NiCoCrAlY合金粉末进行激光扫描；激光熔覆制备NiCoCrAlY粘黏层后对粘黏层表面进行机械研磨以去除未熔粉末杂质和氧化皮；NiCoCrAlY粘黏层的厚度为0.3mm；
(4)将WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在NiCoCrAlY粘黏层表面，送粉速度12mL/min，送气速度10L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1400W的激光，在光斑直径4mm、激光扫描速度为4mm/s的激光熔覆工艺条件下，对WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末进行激光扫描；WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层厚度为1.3mm。
如图1所示为本实施例制备得到的复合涂层，对该复合涂层进行SEM、硬度、摩擦因素、摩擦轮廓等检测，检测方法过程及结果如下：
将所得试样切割成尺寸为15×15×5mm的试样，采用80～2000#砂纸对涂层的表面和断面进行机械研磨，并通过植绒抛光布和金刚石抛光剂进行抛光，金刚石粒径为0.5μm。利用超声清洗机去除试样表面杂质和油脂，清洗剂为无水酒精，时间为5min。
采用硫酸铜-盐酸溶液腐蚀涂层断面2s，以扫描电子显微镜观察涂层断面的分层情况，腐蚀液配比为：盐酸100ml，硫酸5ml和硫酸铜5g。从图2中可以看出：涂层断面分为WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层、NiCoCrAlY粘黏层、热影响区和基体，涂层断面无裂纹，涂层-粘黏层界面和粘黏层-基体界面均结合紧密，NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。
采用HVS-1000M型维氏硬度测试仪测量涂层硬度，实验参数：载荷10N，保压时间10s。以涂层表面延深度方向每隔100μm打一点，测得涂层断面硬度分布。从图3中可以看出：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层硬度为1042±36HV1，NiCoCrAlY粘黏层的硬度为322±20HV1，热影响区和基体的硬度分别为524±29HV1和629±30HV1。
采用HT-1000型高温磨损实验机上测量涂层耐磨性能，实验参数：载荷15N，温度650℃，测试时间30min，频率500rpm，旋转半径2.5mm，对磨副材料为Si3N4球。从图4和图5中可以看出：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层摩擦因数为0.332，磨损率为5.81μm3·N-1·mm-1。
实施例二
一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法，刀具基体材料为T-4241高速钢，由以下质量分数的成分构成：0.9～1％C、1.5～2.5％W、3.8～4.4％Cr、0.5～1.2％Mo、0.2～0.4％Mn、0.5～1％Si、余量的Fe；具体包括以下步骤：
(1)制备NiCoCrAlY合金粉末：该合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：Co粉22％、Cr粉18％、Al粉11.5％、Y粉0.6％、余量的Ni粉；制备WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末，该粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：WC粉78％、TiC粉5.1％、NbC粉3.6％、Ti3AlC2粉6.2％、余量的Co粉；两种合金粉末粒度均为50～100μm；两种合金粉末采用QM–3SP04L型行星球磨机将粉末混合均匀，球磨参数：转速600r/min，时间2.5h，温度为室温；两种合金粉末分别放入101-00B型电热鼓风恒温干燥箱在120℃下干燥1h，以确保粉末不受潮且具有良好的流动性；
(2)将NiCoCrAlY合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在刀具基体表面，送粉速度9mL/min，送气速度8L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率900W的激光，在光斑直径3mm、激光扫描速度为4mm/s的激光熔覆工艺条件下，对NiCoCrAlY合金粉末进行激光扫描；NiCoCrAlY粘黏层的厚度为0.25mm；
(3)将WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在NiCoCrAlY粘黏层表面，送粉速度10mL/min，送气速度8L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1200W的激光，在光斑直径5mm、激光扫描速度为5mm/s的激光熔覆工艺条件下，对WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末进行激光扫描；WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层厚度为1.2mm。
如图1所示为本实施例制备得到的复合涂层，对该复合涂层进行SEM、硬度、摩擦因素、摩擦轮廓等检测，检测方法过程同实施例一，结果如下：
以扫描电子显微镜观察涂层断面的分层情况，涂层断面分为WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层、NiCoCrAlY粘黏层、热影响区和基体，涂层断面无裂纹，涂层-粘黏层界面和粘黏层-基体界面均结合紧密，NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。
硬度测试结果为：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层硬度为1035±27HV1，NiCoCrAlY粘黏层的硬度为313±16HV1，热影响区和基体的硬度分别为536±33HV1和619±22HV1。
涂层耐磨性能测试结果为：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层摩擦因数为0.345，磨损率为6.02μm3·N-1·mm-1。
实施例三
一种盾构机刀具表面自润滑硬质复合涂层的制备方法，刀具基体材料为高速钢，具体包括以下步骤：
(1)用80～1200#砂纸对刀具基体表面进行打磨，并用酒精清洗，清洗后再经过淬火和回火处理；
(2)制备NiCoCrAlY合金粉末：该合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：Co粉24％、Cr粉16％、Al粉12.5％、Y粉0.4％、余量的Ni粉；制备WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末，该粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：WC粉79％、TiC粉5.3％、NbC粉3.5％、Ti3AlC2粉6.3％、余量的Co粉；两种合金粉末粒度均为50～100μm；
(3)激光熔覆在ZKSX–2000W型光纤耦合激光喷涂系统上进行，将NiCoCrAlY合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在刀具基体表面，送粉速度11mL/min，送气速度12L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1200W的激光，在光斑直径5mm、激光扫描速度为6mm/s的激光熔覆工艺条件下，对NiCoCrAlY合金粉末进行激光扫描；激光熔覆制备NiCoCrAlY粘黏层后对粘黏层表面进行机械研磨以去除未熔粉末杂质和氧化皮；NiCoCrAlY粘黏层的厚度为0.40mm；
(4)将WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在NiCoCrAlY粘黏层表面，送粉速度14mL/min，送气速度12L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1600W的激光，在光斑直径3mm、激光扫描速度为3mm/s的激光熔覆工艺条件下，对WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2合金粉末进行激光扫描；WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层厚度为1.5mm。
如图1所示为本实施例制备得到的复合涂层，对该复合涂层进行SEM、硬度、摩擦因素、摩擦轮廓等检测，检测方法过程同实施例一，结果如下：
以扫描电子显微镜观察涂层断面的分层情况，涂层断面分为WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层、NiCoCrAlY粘黏层、热影响区和基体，涂层断面无裂纹，涂层-粘黏层界面和粘黏层-基体界面均结合紧密，NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。
硬度测试结果为：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层硬度为1066±31HV1，NiCoCrAlY粘黏层的硬度为321±17HV1，热影响区和基体的硬度分别为533±24HV1和637±25HV1。
涂层耐磨性能测试结果为：WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层摩擦因数为0.339，磨损率为5.97μm3·N-1·mm-1。
对比例
采用实施例一的激光熔覆参数和性能测试方法，以WC-TiC-NbC-Co合金粉末制备不具有自润滑性能的WC-TiC-NbC-Co硬质合金涂层。刀具基体材料为T-4241高速钢，由以下质量分数的成分构成：0.9～1％C、1.5～2.5％W、3.8～4.4％Cr、0.5～1.2％Mo、0.2～0.4％Mn、0.5～1％Si、余量的Fe；具体包括以下步骤：
(1)用80～1200#砂纸对刀具基体表面进行打磨，并用酒精清洗，清洗后再经过淬火和回火处理；
(2)制备NiCoCrAlY合金粉末：该合金粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：Co粉23％、Cr粉17％、Al粉12％、Y粉0.5％、余量的Ni粉；制备WC-TiC-NbC-Co合金粉末，该粉末由以下质量分数的原料经混合球磨、干燥得到：WC粉78.5％、TiC粉5.6％、NbC粉3.7％、余量的Co粉；两种合金粉末粒度均为50～100μm；两种合金粉末采用QM–3SP04L型行星球磨机将粉末混合均匀，球磨参数：转速600r/min，时间2.5h，温度为室温；两种合金粉末分别放入101-00B型电热鼓风恒温干燥箱在120℃下干燥1h，以确保粉末不受潮且具有良好的流动性；
(3)激光熔覆在ZKSX–2000W型光纤耦合激光喷涂系统上进行，将NiCoCrAlY合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在刀具基体表面，送粉速度10mL/min，送气速度10L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1000W的激光，在光斑直径4mm、激光扫描速度为5mm/s的激光熔覆工艺条件下，对NiCoCrAlY合金粉末进行激光扫描；激光熔覆制备NiCoCrAlY粘黏层后对粘黏层表面进行机械研磨以去除未熔粉末杂质和氧化皮；NiCoCrAlY粘黏层的厚度为0.3mm；
(4)将WC-TiC-NbC-Co合金粉末采用同步送粉的方式铺覆在NiCoCrAlY粘黏层表面，送粉速度12mL/min，送气速度10L/min，重叠率50％，送粉气和保护气都采用氩气；以功率1400W的激光，在光斑直径4mm、激光扫描速度为4mm/s的激光熔覆工艺条件下，对WC-TiC-NbC-Co合金粉末进行激光扫描；WC-TiC-NbC-Co涂层厚度为1.4mm。
对该复合涂层进行SEM、硬度、摩擦因素、摩擦轮廓等检测，检测方法过程同实施例一，结果如下：
以扫描电子显微镜观察涂层断面的分层情况，涂层断面分为WC-TiC-NbC-Co涂层、NiCoCrAlY粘黏层、热影响区和基体，涂层断面无裂纹，涂层-粘黏层界面和粘黏层-基体界面均结合紧密，NiCoCrAlY粘黏层具有良好的粘黏效果。
硬度测试结果为：WC-TiC-NbC-Co涂层硬度为1152±41HV1，NiCoCrAlY粘黏层的硬度为314±18HV1，热影响区和基体的硬度分别为531±23HV1和603±36HV1。
涂层耐磨性能测试结果为：WC-TiC-NbC-Co涂层摩擦因数为0.545，磨损率为16.77μm3·N-1·mm-1。
以上实施例一、实施例二和施例三的结果表明，合金粉的配比及激光熔覆参数会影响涂层厚度以及自润滑减磨效果，实施例一至三制备得到的涂层均表现出良好的结合效果和自润滑减磨性能。由实施例一和对比例的结果表明，WC-TiC-NbC-Co-Ti3AlC2涂层中的Ti3AlC2自润滑相起到良好的减磨降磨效果，涂层的摩擦因数和磨损率分别降低了39.1％和65.4％。
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