CN115044816A - 修复粉末、涂层与制备方法、盾构机主驱动密封跑道的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种修复粉末、涂层与制备方法、盾构机主驱动密封跑道的修复方法。以质量百分比计，该修复粉末包括WC 55％‑79％、Co 20％‑40％、石墨烯类材料1％‑5％，所述粉末的粒径为10μm‑30μm。本发明还提供了一种由上述修复粉末沉积形成的涂层，以及上述修复粉末通过冷喷涂工艺形成涂层的制备方法。本发明进一步提供了一种盾构机主驱动密封跑道的修复方法，包括对密封跑道进行清洗处理和喷砂处理；检测密封跑道的受损区域，根据受损区域规划冷喷涂设备运动轨迹；根据冷喷涂设备运动轨迹，将上述修复粉末通过冷喷涂工艺在受损区域沉积形成涂层，完成密封跑道的修复。该修复方法所需空间小，修复效率高，修复效果好。

Description

修复粉末、涂层与制备方法、盾构机主驱动密封跑道的修复 方法

技术领域

本发明涉及隧道内盾构机主驱动密封跑道修复技术领域，尤其涉及一种修复粉末、涂层与制备方法、盾构机主驱动密封跑道的修复方法。

背景技术

盾构机主驱动密封跑道是阻止泥浆、砂砾等进入主驱动润滑系统的重要装置。在盾构机施工过程中，主驱动密封跑道与密封圈接触并发生相对运动，当有硬质颗粒进入跑道和密封圈之间时，加剧密封跑道磨损，磨损达到一定深度时，主驱动密封失效，将影响盾构机正常工作。

在隧道内，更换失效的密封跑道花费时间长，且成本高昂，因此通常采用堆焊的方式进行密封跑道修复。然而隧道内空间狭小，且耐磨跑道为大型环件，工人堆焊修复时，不仅要平焊，还要进行立焊、仰焊，对焊工技能水平要求高，且焊工需要寻找合适的位置，致使堆焊修复效率低；堆焊表面极其粗糙，但是密封跑道为了减少与密封圈之间的磨损需要较高的表面质量，堆焊后必须要花费大量的时间进行打磨；堆焊不可避免的会产生热影响区，对基体性能产生不利影响。现有的隧道内修复技术，对工人操作水平和经验要求高，修复花费时间长，且修复质量较低。

随着科学技术的发展，出现了采用激光熔覆技术修复密封跑道的研究，但是隧道洞内空间狭小，激光熔覆设备及所描述的夹具的无法布置和高效使用。结合隧道洞内的具体环境，激光熔覆技术无法有效地在隧道洞内修复主驱动密封跑道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种修复粉末、涂层与制备方法、盾构机主驱动密封跑道的修复方法。该修复方法所需空间小、可以在隧道内实施，并且操作简单，修复效率高，修复效果好。

为了达到上述目的，本发明提供了一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括WC 55-79％、Co 20-40％、石墨烯类材料1-5％，各成分质量之和为100％；所述修复粉末的粒度为10-30μm。

在上述修复粉末中，所述石墨烯类材料可以包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等，所述氧化石墨烯的种类没有特殊要求，采用本领域常规方法获得的氧化石墨烯均可。

在上述修复粉末中，所述石墨烯类材料一般具有片层结构，具体地，本发明采用的石墨烯类材料一般具有1-4层的石墨烯片(当石墨烯类材料为氧化石墨烯时，所述石墨烯片即为氧化石墨烯片；同理，当石墨烯类材料为还原氧化石墨烯时，所述石墨烯片即为还原氧化石墨烯片)，本发明采用的石墨烯片的径厚比一般为1.7-2.6。

在上述修复粉末中，WC可以采用WC粉末，Co可以采用Co粉末。所述WC的平均粒径一般为1μm-3μm，所述Co的平均粒径一般为0.5μm-2.5μm。

本发明还提供了一种涂层，其是由上述修复粉末沉积得到的。在一些实施方案中，所述沉积的方式可以是冷喷涂等方式。

根据本发明的具体实施方案，上述涂层的孔隙率一般≤0.31％，例如为0.23％-0.31％；上述涂层的硬度一般≥700HV，例如为900HV-1400HV；上述涂层的断裂韧性一般≥16MPa·m^0.5，例如为16MPa·m^0.5-25MPa·m^0.5；上述涂层的磨损失重一般≤12mg，例如为9mg-12mg。

本发明还提供了一种涂层的制备方法，其包括将上述修复粉末通过冷喷涂工艺形成涂层。

根据本发明的具体实施方案，利用冷喷涂工艺使修复粉末形成的涂层，具有较低孔隙率、较高的致密度和硬度；并且涂层中的石墨烯类材料具有纳米级片层薄膜特征，表现出良好的润滑作用，可以显著降低摩擦系数，提高涂层的耐磨损性能。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺采用的工作气体可以是氮气等。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺采用的喷涂距离一般可以控制为10mm-20mm。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺采用的载气温度一般可以控制为600℃-900℃。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺采用的载气强度一般可以控制为2MPa-3MPa。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺形成的涂层的孔隙率可以控制在0.31％以下，例如为0.23％-0.31％。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺形成的涂层的硬度可以达到700HV以上，例如为900HV-1400HV。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺形成的涂层的断裂韧性可以达到16MPa·m^0.5以上，例如为16MPa·m^0.5-25MPa·m^0.5。

根据本发明的具体实施方案，所述冷喷涂工艺形成的涂层的磨损失重可以控制在12mg以下，例如为9mg-12mg。

本发明还提供了一种盾构机主驱动密封跑道的修复方法，该修复方法包括：

S1、将受损的密封跑道固定在隧道内，对密封跑道的表面依次进行清洗处理和喷砂处理；该喷砂处理采用本领域常规的喷砂方法；

S2、检测密封跑道的受损区域，根据受损区域规划冷喷涂设备运动轨迹；

S3、按照S2规划的冷喷涂设备运动轨迹，将上述修复粉末加入冷喷涂设备中，通过冷喷涂工艺在受损区域沉积形成涂层，待受损区域的外形尺寸恢复到标准耐磨跑道尺寸之后，完成密封跑道的修复。

在上述修复方法中，通过采用特定组成的修复粉末与冷喷涂工艺结合。可以实现涂层的精准沉积，获得高精度的成形尺寸，从而实现对盾构机主驱动密封跑道的高效修复。该修复方法对操作环境要求低，能够克服隧道内空间狭小、环境恶劣的问题，无需拆卸跑道即可实现隧道内修复。

根据本发明的具体实施方案，在上述修复方法中，所述冷喷涂工艺采用的工作气体可以是氮气等；所述冷喷涂工艺采用的喷涂距离一般可以控制为10mm-20mm；所述冷喷涂工艺采用的载气温度一般可以控制为600℃-900℃；所述冷喷涂的载气强度一般可以控制为2MPa-3MPa。

根据本发明的具体实施方案，在密封跑道受损区域形成的涂层具有较高的致密度和较高的硬度，并且具有良好的耐磨性，从而赋予修复后的密封跑道较高的表面硬度(一般达到700HV以上)和较低的摩擦系数，使密封跑道在与主驱动密封圈的摩擦过程中具有更好的使用性能和更长的使用寿命。具体地，所述涂层的孔隙率可以控制在0.31％以内(例如0.23％-0.31％)，所述涂层的硬度可以达到700HV以上(如为900-1400HV)，断裂韧性可以达到16MPa·m^0.5以上(如16-25MPa·m^0.5)，磨损失重可以控制在12mg以下(如9mg-12mg)。

根据本发明的具体实施方案，S1中，所述清洗处理用于去除密封跑道表面的油污、灰尘及其它杂质。所述清洗处理所用的清洗剂具体可以包括丙酮等。

根据本发明的具体实施方案，S2中，检测密封跑道受损区域的方法可以包括：使用三维激光扫描仪对受损区域进行检测，生成受损区域的点云数据，显示受损区域轮廓。

根据本发明的具体实施方案，S2中，根据受损区域规划冷喷涂设备运动轨迹的方法一般包括：将密封跑道受损区域轮廓与标准耐磨跑道轮廓线进行对比分析，根据对比结果，规划冷喷涂设备的运动轨迹。

在本发明的具体实施方案中，利用三维激光扫描仪可以获得密封跑道受损区域的精确尺寸，与冷喷涂协同使用可以实现对受损区域的精准修复。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在修复过程中采用冷喷涂的方式进行修复，设备空间小，对操作环境要求低，能够克服隧道内空间狭小、环境恶劣的问题，可以在不拆卸密封跑道的情况下实现在隧道内对盾构机主驱动密封跑道的修复。

2、本发明提供的修复方法无需花费大量时间进行密封跑道表面打磨，操作简单，可以减少高技能工人的使用，相对于堆焊修复可至少节约一半的修复时间(10-15天)，所需时间短，修复效率高。

3、本发明提供的修复方法可以形成高精度高质量的修复表面，修复后的密封跑道具有较高的表面硬度和较低的摩擦系数，使密封跑道在与主驱动密封圈的摩擦过程中具有更好的使用性能和更长的使用寿命。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括79％的WC粉，20％的Co粉，1％的氧化石墨烯。该修复粉末的粒径平均尺寸为10μm。其中，氧化石墨烯具有1-4层的氧化石墨烯片，氧化石墨烯片的平均径厚比为1.7，WC粉的平均粒度为3μm，Co粉的平均粒度为0.5μm。将WC粉、Co粉和氧化石墨烯均匀混合，得到修复粉末。

本实施例进一步提供了一种隧道内盾构机主驱动密封跑道修复方法，该修复方法包括：

1、将受损的密封跑道固定在隧道内，该密封跑道的基体材料为低合金钢；

2、用丙酮清洗密封跑道表面去除油污、灰尘及其它杂质；

3、对清洗后的密封跑道受损区域进行喷砂处理；

4、使用三维激光扫描仪对受损区域进行检测，生成受损区域的点云数据，显示受损区域轮廓，与标准耐磨跑道轮廓线进行对比分析，根据对比结果，规划冷喷涂设备运动轨迹；

5、将上述修复粉末加入冷喷涂设备中，按照规划的运动轨迹使用冷喷涂设备对密封跑道受损区域进行修复，修复粉末经由冷喷涂工艺在受损区域形成涂层，使受损区域外形尺寸恢复到标准耐磨跑道尺寸，完成对隧道内密封跑道的修复。

步骤5中，冷喷涂工艺的操作参数为：工作气体为N₂，喷涂距离10mm，载气温度为600℃，载气压强2MPa。

上述修复方法所需时间不大于10天。

实施例2

本实施例提供了一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括67％的WC粉，30％的Co粉，3％的氧化石墨烯。该修复粉末的粒径平均尺寸为20μm。其中，氧化石墨烯具有1-4层的氧化石墨烯片，氧化石墨烯片的平均径厚比为2.3，WC粉的平均粒度为2μm，Co粉的平均粒度为2μm。将WC粉、Co粉和氧化石墨烯均匀混合，得到修复粉末。

本实施例进一步提供了一种隧道内盾构机主驱动密封跑道修复方法，该修复方法包括：

1、将受损的密封跑道固定在隧道内，该密封跑道的基体材料为低合金钢；

2、用丙酮清洗密封跑道表面去除油污、灰尘及其它杂质；

3、对清洗后的密封跑道受损区域进行喷砂处理；

4、使用三维激光扫描仪对受损区域进行检测，生成受损区域的点云数据，显示受损区域轮廓，与标准耐磨跑道轮廓线进行对比分析，根据对比结果，规划冷喷涂设备运动轨迹；

5、将上述修复粉末加入冷喷涂设备中，按照规划的运动轨迹使用冷喷涂设备对密封跑道受损区域进行修复，修复粉末经由冷喷涂工艺在受损区域形成涂层，使受损区域外形尺寸恢复到标准耐磨跑道尺寸，完成对隧道内密封跑道的修复。

步骤5中，冷喷涂工艺的操作参数为：工作气体为N₂，喷涂距离16mm，载气温度为750℃，载气压强2.5MPa。

上述修复方法所需时间不大于10天。

实施例3

本实施例提供了一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括55％的WC粉，40％的Co粉，5％的氧化石墨烯。该修复粉末的粒径平均尺寸为30μm。其中，氧化石墨烯片具有1-4层的氧化石墨烯片，氧化石墨烯片的平均径厚比为2.6，WC粉的平均粒度为1μm，Co的平均粒度为2.5μm。将WC粉、Co粉和氧化石墨烯均匀混合，得到修复粉末。

本实施例进一步提供了一种隧道内盾构机主驱动密封跑道修复方法，该修复方法包括：

1、将受损的密封跑道固定在隧道内，该密封跑道的基体材料为低合金钢；

2、用丙酮清洗密封跑道表面去除油污、灰尘及其它杂质；

3、对清洗后的密封跑道受损区域进行喷砂处理；

4、使用三维激光扫描仪对受损区域进行检测，生成受损区域的点云数据，显示受损区域轮廓，与标准耐磨跑道轮廓线进行对比分析，根据对比结果，规划冷喷涂设备运动轨迹；

5、将上述修复粉末加入冷喷涂设备中，按照规划的运动轨迹使用冷喷涂设备对密封跑道受损区域进行修复，修复粉末经由冷喷涂工艺在受损区域形成涂层，使受损区域外形尺寸恢复到标准耐磨跑道尺寸，完成对隧道内密封跑道的修复。

步骤5中，冷喷涂工艺的操作参数为：工作气体为N₂，喷涂距离20mm，载气温度为900℃，载气压强3MPa。

上述修复方法所需时间不大于10天。

对比例1

本对比例提供了一种不添加石墨烯类材料的修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括：80％的WC粉，20％的Co粉。修复粉末粒径平均尺寸为30μm。该修复粉末的制备方法与实施例3相同。

本对比例还提供了一种隧道内盾构机主驱动密封跑道修复方法，该方法采用本对比例的修复粉末，其他操作与实施例3的修复方法相同。

对比例2

本对比例提供了一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括：70％的WC粉，20％的Co粉，10％的氧化石墨烯，该氧化石墨烯与实施例1所用的氧化石墨烯相同。修复粉末粒径平均尺寸为30μm。该修复粉末的制备方法与实施例3相同。

本对比例还提供了一种隧道内盾构机主驱动密封跑道修复方法，该方法采用本对比例的修复粉末，其他操作与实施例3的修复方法相同。

测试例1

本测试例提供了实施例1至实施例3、对比例1至对比例2中修复方法的效果对比。对修复过程中形成的密封跑道表面进行孔隙率、硬度、断裂韧性和磨损失重的测试。其中，上述参数的测量方法如下：

孔隙率采用EM-30AX+型电子显微镜进行测量，测量10个区域，结果取10个区域的平均值；

硬度采用HVS-1000型显微硬度计测量，加载载荷为2.94N，保荷时间为10s，测量10个点，结果取10次平均值；

断裂韧性采用Struers Duramin型显微硬度计测量，试验方法采用压痕法，载荷为49N，加载时间为15s，测量10个点，结果取10次平均值；

磨损失重采用MLGS-225C型干湿砂橡胶轮式磨损试验机测量，载荷100N，转速为200rmp，磨损时间15min，测量5个试样，结果取5次平均值。

结果总结在表1中。

表1

	孔隙率	硬度(HV)	断裂韧性(MPa·m<sup>0.5</sup>)	磨损失重(mg)
					修复前	—	616	—	40.6
实施例1	0.25％	1316	16.2	11.6
					实施例2	0.31％	1127	21.7	9.7
实施例3	0.23％	921	24.5	10.4
					对比例1	0.29％	1105	15.5	16.7
对比例2	0.45％	776	12.1	24.3

根据以上对比可知，对比例1提供的未加石墨烯类材料的修复粉末应用于修复过程中，虽然硬度达到要求，但是断裂韧性和磨损较低，导致修复区域的耐磨性较差、无法达到修复要求；而对比例2提供的添加过量石墨烯的修复粉末，修复区域的孔隙率、硬度、断裂韧性和磨损失重都出现了明显的性能下降，更无法达到修复的要求。而实施例1至实施例4提供的修复粉末形成的涂层，孔隙率和磨损失重较低、硬度和断裂韧性较高，说明涂层致密坚固、耐磨损性能高、与修复位置的结合程度较高，修复后的跑道使用性能高、使用寿命长。由上而知，本发明利用特定元素组合和特定组成比例的修复粉末，通过各元素之间的协同配合，可以实现对盾构机主驱动跑道的高质量修复。

Claims (10)

1.一种修复粉末，以质量百分比计，该修复粉末包括WC 55％-79％、Co 20％-40％、石墨烯类材料1％-5％，各组成成分的质量之和为100％；所述修复粉末的粒径为10μm-30μm。

2.根据权利要求1所述的修复粉末，其中，所述石墨烯类材料包括氧化石墨烯和/或还原氧化石墨烯；

优选地，所述石墨烯类材料具有1-4层石墨烯片，所述石墨烯片的径厚比为1.7-2.6；

优选地，所述WC的平均粒径为1μm-3μm，所述Co的平均粒径为0.5μm-2.5μm。

3.一种涂层，该涂层是权利要求1或2所述的修复粉末沉积得到的；

优选地，所述沉积的方式包括冷喷涂。

4.根据权利要求3所述的涂层，其中，所述涂层的孔隙率≤0.31％，所述涂层的硬度≥700HV，所述涂层的断裂韧性≥16MPa·m^0.5，所述涂层的磨损失重≤12mg。

5.根据权利要求3所述的涂层，其中，所述涂层的孔隙率为0.23％-0.31％，所述涂层的硬度为900HV-1400HV，所述涂层的断裂韧性为16MPa·m^0.5-25MPa·m^0.5，所述涂层的磨损失重为9mg-12mg。

6.一种涂层的制备方法，其包括将权利要求1或2所述的修复粉末通过冷喷涂工艺形成涂层；

优选地，所述冷喷涂工艺中采用的工作气体包括氮气；

优选地，所述冷喷涂工艺的喷涂距离为10mm-20mm；

优选地，所述冷喷涂工艺的载气温度为600℃-900℃；

优选地，所述冷喷涂工艺的载气强度为2MPa-3MPa。

7.一种盾构机主驱动密封跑道的修复方法，该修复方法包括：

S1、将受损的密封跑道固定在隧道内，对密封跑道的表面依次进行清洗处理和喷砂处理；

S2、检测密封跑道的受损区域，根据受损区域规划冷喷涂设备运动轨迹；

S3、根据冷喷涂设备运动轨迹，将权利要求1或2所述的修复粉末加入冷喷涂设备中，通过冷喷涂工艺在受损区域沉积形成涂层，待受损区域的外形尺寸恢复到标准耐磨跑道尺寸之后，完成密封跑道的修复。

8.根据权利要求7所述的修复方法，其中，S1中，所述清洗处理所用的清洗剂包括丙酮。

9.根据权利要求7所述的修复方法，其中，S2中，检测密封跑道受损区域的方法包括：使用三维激光扫描仪对受损区域进行检测，生成受损区域的点云数据，显示受损区域轮廓。

10.根据权利要求9所述的修复方法，其中，S2中，根据受损区域规划冷喷涂设备运动轨迹的方法包括：将密封跑道受损区域轮廓与标准耐磨跑道轮廓线进行对比分析，根据对比结果，规划冷喷涂设备的运动轨迹。