CN115976390B - 镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法，该镍基碳化钨复合合金粉包括混合质量比为35～45：55～65的组分A和组分B；组分A为合金粉末，其元素组成按质量百分比计包括：C：0.01％～0.08％、Cu：15％～24％、Si：1.2％～2.0％、B：0.5％～1.0％、Fe：0.1％～0.5％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉。通过上述镍基碳化钨复合合金粉在盾构机滚刀基体表面激光熔覆形成增强涂层可以延长滚刀的服役寿命，满足更加苛刻工况的服役需求，进而提高掘进效率，保障施工安全，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及合金涂层技术领域，具体而言，涉及一种镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法、盾构刀具和盾构机。
背景技术
盾构机是隧道开挖的“钢铁穿山甲”，被广泛应用于各大隧道工程建设中。刀具是盾构机的“牙齿”，是保证其掘进安全、效率和成本的核心。在复杂地层和长距离连续掘进的条件下，刀具的磨损和冲击十分剧烈，传统的盾构刀具耐磨钢的硬度为55～61HRC(相当于596～720HV)，冲击韧性为10～40J/cm2，其强韧性能达到极限，难以继续提高。根据摩擦磨损理论，钢的耐磨性与硬度有关，在一定的磨损条件下，磨损量与硬度成反比。由于刀具的硬度明显低于岩石中以石英为代表的硬颗粒(750～1230HV)的硬度，所以磨料硬度(Ha)和环形硬度(Hm)Ha/Hm>1.3～1.7为硬磨料磨损。为了减少磨料磨损，工具中强化相的硬度应比石英的硬度高0.3倍左右，即975～1599HV，则可满足低磨损率的要求。
目前，主要通过对刀具涂覆耐磨合金涂层来进一步提供刀具的耐磨性，以延长其服役寿命，其中，激光熔覆是一种绿色的激光快速成型技术，可用于关键部件和表面涂层制备、维修再制造等，但激光熔覆由于其粉末材料没有标准参照，熔覆层成型性不佳易产生夹杂裂纹等缺陷，限制了其推广和应用。而目前针对于盾构刀具的特殊使用条件以及需要满足的强韧性和耐磨性，通常需要选用复合粉末来进行激光熔覆，以形成满足其要求的耐磨合金涂层。但是由于盾构刀具对于强韧性和耐磨性的要求较高，需要加入大量的硬质陶瓷相，以提高其耐磨性，而硬质陶瓷相的加入，其影响因素变得更为复杂，裂纹率大大增加，特别是当陶瓷相含量高于50％的情况下，更容易开裂。
因此，如果保证在激光熔覆层的较佳结合性能的前提下，得到能够满足盾构刀具使用要求的耐磨合金涂层是亟需解决的技术问题。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法、盾构刀具和盾构机，以改善上述技术问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种镍基碳化钨复合合金粉，其包括组分A和组分B，组分A和组分B的混合质量比为35～45：55～65；组分A为合金粉末，其元素组成按质量百分比计包括：C：0.01％～0.08％、Cu：15％～24％、Si：1.2％～2.0％、B：0.5％～1.0％、Fe：0.1％～0.5％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉。
第二方面，本发明还提供了上述镍基碳化钨复合合金粉作为激光熔覆粉的应用。
可选地，激光熔覆粉为用于盾构机滚刀的专用激光熔覆粉。
第三方面，本发明还提供了一种镍基碳化钨复合涂层的制备方法，其包括：采用上述镍基碳化钨复合合金粉在基体表面进行激光熔覆，以在基体表面形成熔覆层。
第四方面，本发明还提供了一种盾构刀具，其表面通过上述镍基碳化钨复合涂层的制备方法形成有镍基碳化钨复合涂层。
第五方面，本发明还提供了一种盾构机，其具有上述盾构刀具。
通过合理选择C、Cu、Si、B、Fe、Ni等合金元素组分作为与组分B(球形WC陶瓷粉)配合的基体合金粉末，并设计特定的元素比例，这些元素组分的熔点低，能够与钢基体和WC强化相具有较佳的润湿性，且包含的强碳化物形成元素比例低，因此，具有良好的韧性，裂纹敏感性低。进而将组分A的合金粉末和组分B的球形WC陶瓷粉复合形成激光熔覆粉，可以使得通过该激光熔覆粉进行激光熔覆形成的耐磨合金涂层裂纹较少，且兼具优异的强韧性和高耐磨性。将该耐磨合金涂层应用于盾构刀具时，能够延长刀具的服役寿命，满足苛刻工况的服役需求，进而提高掘进效率，保障施工安全，具有良好的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中实施例1-4中盾构机滚刀激光熔覆示意图，其中(a)为激光熔覆机器人和工装图，(b)为熔覆后的滚刀刀圈，(c)为沉积涂层示意图；
图2为本发明中实施例1、实施例2、实施例3、实施例4的SEM对比图，分别对应加入不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔覆涂层：(a)、(b)、(c)为实施例1，对应涂层为NiCuBSi-WC60；(d)、(e)、(f)为实施例2，对应涂层为NiCuBSi-WC60+1％V；(g)、(h)、(i)为实施例3，对应涂层为NiCuBSi-WC60+2％V；(j)、(k)、(l)为实施例4，对应涂层为NiCuBSi-WC60+3％V；
图3为本发明实施例1-4添加不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔覆涂层表面的XRD对比图；
图4为本发明实施例1-4中添加不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔涂层试样的截面显微硬度对比图，其中图4中左边的图为从涂层到基体的横截面硬度分布图；右边的图为涂层中没有球形WC颗粒的位置的平均硬度；
图5为本发明中实施例1激光熔覆NiCuBSi-WC60涂层的TEM图，其中(a)为选择区域示意图；(b)为WC的衍射图；(c)为WC的HRTEM图；(d)为Ni(Cu)的衍射图；(e)为Ni(Cu)的HRTEM图；
图6为本发明中实施例3激光熔覆NiCuBSi-WC60+2％V涂层的TEM图，其中(a)-(f)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层中粘结相及其边缘的局部微观结构示意图：(a)为粘结相边缘选择区域示意图，(b)为扫描获取模式的图片，(c)为粘结相界面的放大视图，(d)为粘结相界面两侧的HRTEM，(e)为粘结相界面点阵参数的高分辨率图，(f)为粘结相界面的IFFT图；(g)-(l)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层中强化相及其边缘的TEM表征：(g)为TEM选定强化相边缘区域的低倍率照片，(h)为扫描获取模式的图片，(i)为强化相边缘局部放大图，(j)强化相界面两侧的HRTEM，(k)VC和W2C界面的IFFT图，(l)为强化相界面的衍射图；
图7为激光熔覆过程的微观结构演变示意图：(a)为NiCuBSi-WC60涂层，(b)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层；
图8为磨粒在不同刀具表面的犁削作用图：(a)为5Cr5MoSiV1盾构滚刀耐磨钢，(b)为NiCuBSi-WC60涂层滚刀，(c)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层滚刀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提出的一种镍基碳化钨复合合金粉及其应用以及镍基碳化钨复合涂层的制备方法、盾构刀具和盾构机进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供了一种镍基碳化钨复合合金粉，其包括组分A和组分B，组分A和组分B的混合质量比为35～45：55～65；组分A为合金粉末，其元素组成按质量百分比计包括：C：0.01％～0.08％、Cu：15％～24％、Si：1.2％～2.0％、B：0.5％～1.0％、Fe：0.1％～0.5％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉。
需要说明的是，组分A可按照其元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分B可通过等离子球化技术制备。
WC的硬度超过23GPa(约2346HV)，能有效抑制石英的磨料磨损，因此选用WC陶瓷粉作为合金粉末的增强相，而不规则的WC陶瓷粉的粉末之间会存在团聚现象，因此，选择球形WC陶瓷粉，其流动性好，颗粒强度高，应力均匀，有利于成型，使得激光熔覆形成的耐磨合金层不易产生裂纹。添加了B、Si、Cu、Fe、C等元素的Ni基自熔合金具有抗氧化性、良好的润湿性和接近钢基体的热膨胀系数，与钢基体和WC强化相的润湿性好，且包含的强碳化物形成元素比例低，因此具有良好的韧性，裂纹敏感性低；并且通过对各组分的比例进行了设计，使得在WC陶瓷粉添加比例大于50％的情况下，其合金粉末(组分A)与WC陶瓷粉(组分B)混合形成的复合合金粉进行激光熔覆时，其形成的NiCuBSi-WC耐磨涂层结合性能较佳，不易开裂，同时对刀具基体的热影响很小，保持了强度和韧性。涂层磨损后，刀具基体可以继续作为传统刀具使用。
为了进一步提高激光熔覆形成的耐磨合金涂层的性能，对用于激光熔覆的镍基碳化钨复合合金粉的成分进行再次优化，其中，组分A按质量百分比计包括：C：0.03％～0.05％、Cu：18％～22％、Si：1.5％～1.8％、B：0.7％～0.9％、Fe：0.2％～0.4％，余量为Ni和不可避免的微量杂质。
一些实施方式中，组分A和组分B的混合质量比为38～42：58～62，例如，可选择为38:62、39:61、40:60、41:59或42:58等，优选40：60。
进一步地，由于激光熔覆过程是一个短时间的非平衡凝固过程，熔池的搅拌和振荡是非常剧烈，而WC陶瓷粉和镍基自熔合金的密度明显不同，导致WC在沉积涂层中的分布不均匀。例如，Ortiz等人在用激光熔覆法制备NiCrBSi+WC复合涂层时，发现WC颗粒会沉降到熔融涂层的底部，导致涂层中的强化相分布不均匀。Fernandez等人发现随着涂层中WC含量的增加，涂层底部的WC颗粒偏析越明显，导致不同WC含量的涂层在摩擦磨损性能差异不大。
基于以上问题，发明人通过进一步研究和实践，选自将钒作为改性材料添加进镍基碳化钨复合合金粉中，金属钒是一种难熔金属(熔点1890℃)，具有优良的耐腐蚀性、高硬度、高抗拉强度和高抗疲劳性，主要应用于钢铁冶金、硬质合金和钛合金等领域。通过添加V，其可以和C配合来改善其磨料磨损性能，在硬度高于58HRC时，合金的耐磨性主要取决于VC在基体中的含量、形态和分布。VC是硬质合金中最有效的晶粒生长抑制剂，增加了W和C原子通过Co粘结剂的能量屏障，抑制了WC颗粒的生长，因此，因此，在复合粉末中加入微量的V粉，在激光熔覆过程中促使少部分的球形WC原位反应生成了絮状的W2C和VC，填充不含球形WC的空隙，改善了涂层中强化相的分布均匀性，从提高涂层整体耐磨性能。通过激光熔覆后可制备高强韧、低缺陷的高性能涂层刀具。即一些实施方式中，镍基碳化钨复合合金粉还包括组分C，组分C为钒粉，钒粉的添加量为组分A和组分B的总质量的1％～3％，优选2％。
本发明的一些实施方式还提供了上述实施方式中的镍基碳化钨复合合金粉作为激光熔覆粉的应用。
具体地，上述激光熔覆粉为用于盾构机滚刀的专用激光熔覆粉。
承上述，本发明的一些实施方式还提供了一种镍基碳化钨复合涂层的制备方法，其包括：采用上述实施方式的镍基碳化钨复合合金粉在基体表面进行激光熔覆，以在基体表面形成熔覆层。
具体地，其包括以下步骤：
S1、对基体进行喷砂处理，去除氧化皮和油污。
一些实施方式中，喷砂至基体表面粗糙度为Ra3.2～Ra6.3。
其中，基体可选择为盾构机滚刀刀圈。
S2、在炉中预热刀圈基体。
一些实施方式中，将基体整体预热到240℃～270℃，优选260℃；预热时间可为25～30min。
S3、通过激光熔覆将上述镍基碳化钨复合合金粉在基体表面形成耐磨合金涂层。
具体地，激光熔覆的工艺参数为：激光熔覆过程中，保持基体的温度为240℃～270℃，激光熔覆功率1.5kW～3kW，单层熔覆厚度为1.2mm～1.5mm，熔覆2～3层，熔覆过程基体随旋转台转动，实际熔覆速度为8mm/s～25mm/s，搭接率为45％～55％，激光光斑直径为：采用同轴送粉方式，送粉率为20g/min～40g/min，氩气流量：18L/min～22L/min。
S4、熔覆完成后在炉中保温3h～5h后，随炉冷却，以降低应力。
本发明的一些实施方式还提供了一种盾构刀具，其表面通过上述制备方法形成有镍基碳化钨复合涂层。
本发明的一些实施方式还提供了一种盾构机，其具有上述盾构刀具。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含两个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：C：0.04％、Cu：20％、Si：1.7％、B：0.8％、Fe：0.3％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
参见图1，其中(a)为激光熔覆机器人和工装图，(b)为熔覆后的滚刀刀圈，(c)为沉积涂层示意图；制备激光熔覆制动盘的具体工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
实施例2
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含三个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：0.04％、Cu：20％、Si：1.7％、B：0.8％、Fe：0.3％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。除此之外，还有组分C为V粉，其作为改性粉末材料添加进镍基碳化钨复合粉末中，添加量为组分A和组分B混合后的总质量的1％。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
实施例3
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含三个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：0.04％、Cu：20％、Si：1.7％、B：0.8％、Fe：0.3％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。除此之外，还有组分C为V粉，其作为改性粉末材料添加进镍基碳化钨复合粉末中，添加量为组分A和组分B混合后的总质量的2％。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
实施例4
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含三个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：0.04％、Cu：20％、Si：1.7％、B：0.8％、Fe：0.3％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。除此之外，还有组分C为V粉，其作为改性粉末材料添加进镍基碳化钨复合粉末中，添加量为组分A和组分B混合后的总质量的3％。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
实施例5
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含两个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：C：0.03％、Cu：18％、Si：1.5％、B：0.7％、Fe：0.2％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A35％和组分B65％混合形成复合粉末。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的具体工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
实施例6
本实施例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含两个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：C：0.05％、Cu：22％、Si：1.5％、B：0.9％、Fe：0.4％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A45％和组分B55％混合形成复合粉末。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的具体工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
对比例1
本对比例为常用盾构机滚刀5Cr5MoSiV1钢基体，其化学成分为：C:0.52％,Cr:0.95％,Mn:0.52％,Ni:0.9％,Si:0.12％,Mo:0.55％,Fe:余量。经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC。
对比例2
本对比例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含两个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：0.03％、Cu：18％、Si：1.5％、B：0.7％、Fe：0.2％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的具体工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
对比例3
本对比例提供的用于制备盾构机滚刀激光熔覆涂层的Ni基WC复合合金粉，包含两个组分，组分A通过以下步骤制备：按照以下元素质量配比真空熔炼，氩气雾化制备专用粉末，组分A成分按质量百分比计包括C：C：0.34％、Cr：12.5％、Si：4.1％、B：1.9％、Fe：6.6％，余量为Ni和不可避免的微量杂质；组分B为球形WC陶瓷粉，通过等离子球化技术制备。按照质量百分比将组分A40％和组分B60％混合形成复合粉末。
盾构机滚刀材质为5Cr5MoSiV1高耐磨钢，为盾构机滚刀常用合金钢，经过1050℃真空淬火+550℃回火后，其硬度为58-60HRC，在其表面激光熔覆上述复合合金粉。
制备激光熔覆制动盘的具体工艺步骤如下：
1)将热处理后的滚刀刀圈基体喷砂处理，去除氧化皮及油污，表面粗超度为Ra3.2，在炉中预热刀圈基体，时间为30min，预热温度为260℃。
2)将预热后的盾构机滚刀刀圈安装到转台上，用夹具卡住。并用火焰喷头对其进行持续保温处理，保证熔覆过程中温度不低于240℃。
3)激光熔覆功率2kW，单层熔覆厚度为1.2mm，熔覆2层，熔覆过程刀圈随旋转台转动，实际熔覆速度为15mm/s，搭接率为50％，激光光斑直径为采用同轴送粉方式，送粉率为30g/min，氩气流量：20L/min。
4)将熔覆完成后得到的Ni基WC复合涂层滚刀刀圈在炉中260℃保温处理4h后随炉冷却以降低应力。
试验例1
将实施例1～4和对比例1～2得到的盾构机滚刀进行磨粒磨损测试，具体方法为：根据ASTM G65-2016标准，使用MLG-130型干式橡胶轮磨粒磨损试验机测试样品的磨损性能。橡胶轮为氯化丁基橡胶，直径为229mm，邵尔硬度A60±2，宽度12.7±0.3mm。施加于试样的法向载荷为130±4N，摩擦速度为200±10rpm，磨料添加速率为350g/min，每种样品测试总时间为30min。磨料粒度为60目的石英砂，砂流速度为300±5g/min。样品尺寸为57mm×25.5mm×6mm。磨损后样品用天平称重，取磨损质量的平均值，并进一步除以理论密度，获得平均磨损体积。
其结果如表1所示。
表1
试验例2
将实施例1-实施例4进行扫描电镜观察，其结果如图2所示，图2为分别对应加入不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔覆涂层的SEM图：(a)、(b)、(c)为实施例1，对应涂层为NiCuBSi-WC60；(d)、(e)、(f)为实施例2，对应涂层为NiCuBSi-WC60+1％V；(g)、(h)、(i)为实施例3，对应涂层为NiCuBSi-WC60+2％V；(j)、(k)、(l)为实施例4，对应涂层为NiCuBSi-WC60+3％V。其中，图2(a)、(d)、(g)、(j)为涂层与基体界面的SEM图像。结果表明，不同钒添加量的镀层均与5Cr5MoSiV1钢基体形成良好的冶金结合，镀层与钢基体界面清洁，无气孔、裂纹等缺陷。此外，当V含量为3％时，涂层中出现了两条可见的裂纹，这表明钒含量的过量添加导致涂层开裂的易感性增加。从图2(b)和图2(c)中不含V的涂层微观组织局部放大图可以看出，白色球形WC弥散分布在粒径为50-100μm的涂层中。在无球形WC颗粒的位置，涂层中有一些小颗粒相分布，但所占比例较小，涂层中强化相的整体分布不均匀。从图2(e)、(f)中可以看出，当加入1％ V时，涂层中WC颗粒之间充满了许多鹅毛状析出相，这弥补了无球WC的位置强化相的缺乏。从图2(h)和(i)中可以看出，当V含量增加到2％时，析出相进一步变成树枝状。由图2(k)、(l)可知，当V含量为3％时，析出相呈板条状。可以看出，V的加入在激光作用下与WC原位反应，诱导部分球形碳化钨分解形成W2C。随着V含量的增加，反应强度增大，原位生成形成更多的W2C并填充在球形WC颗粒之间。试验例3
将实施例1-4的合金涂层进行XRD分析，结果如图3所示，图3为不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔覆涂层表面的XRD对比图。在不含V的NiCuBSi-WC60涂层中，主要相为Ni(Cu)、WC和W2C。随着V的加入，除Ni(Cu)、WC和W2C外，涂层中VC和Ni10(WC)3的峰逐渐明显。当V添加量为1％时，VC和Ni10(WC)3的比例较少，且未出现明显的特征峰。当V含量大于2％时，开始出现明显的VC和Ni10(WC)3特征峰。结果表明：V的加入促进了部分球形WC的分解，与Ni反应形成NixWxC相，部分V与C反应形成VC相。由图3可知，V粉的加入使得在激光熔覆过程中促使少部分的球形WC原位反应生成了絮状的W2C和VC。
试验例4
对实施例1-4中添加不同V含量的NiCuBSi-WC60激光熔涂层试样的截面进行显微硬度分析，其对比图如图4所示。其中图4中的左边的图为从涂层到基体的横截面硬度分布图；右边的图为涂层中没有球形WC颗粒的位置的平均硬度。在图4的左边的图中，由于球形WC的存在，维氏硬度计在其表面测试时，其硬度在2500HV以上，证明了WC的高硬度。而当硬度压头在没有球形WC的位置进行测试时，其硬度明显下降，一般为600-750HV。由于磨粒磨损是由于犁削去除岩石中坚硬的颗粒造成的，例如高硬度(1500HV)的石英，其耐磨性由强化相决定，而结合相的硬度和均匀性仍然严重影响涂层的平均耐磨性。因此，对不含WC区域的平均硬度进行统计分析，如图4中右边的图所示，含0％、1％、2％和3％V的涂层的平均硬度分别为616.41±116.66HV、699.25±149.76HV、739.91±82.58HV和690.05±187.13HV。结果表明，V含量为2wt.％时，涂层的平均硬度较高，均匀性较好。
试验例5
将实施例1的激光熔覆NiCuBSi-WC60涂层和实施例3的激光熔覆NiCuBSi-WC60+2％V涂层进行透射电镜观察。
实施例1的TEM图如图5所示，其中图5中的(a)为选择区域示意图，存在明显的两种不同衬度的物相；(b)中间有一条清晰的分界线，在界面的左右两侧进行SADP，发现WC[1101]区轴的衍射点在左边，WC[1210]区轴的衍射点在右边，为WC相的衍射图；(c)为WC的HRTEM图，在[1101]晶带轴方向上，(1213)和(2113)的晶面间距分别为0.15nm和0.19nm，晶面夹角为100°；在[1210]区轴方向上，(0001)和(2110)WC的晶面间距分别为0.28nm和0.25nm，晶面夹角为90°，证实了WC相的存在；(d)为Ni(Cu)的衍射图，为涂层中的粘结相；(e)为Ni(Cu)的HRTEM图，可以看出(111)和(111)两个方向的晶面间距为0.2nm，晶面夹角为109，证明Ni(Cu)粘结相的存在。
实施例3的TEM图如图6，其中(a)-(f)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层中粘结相及其边缘的局部微观结构示意图：(a)为粘结相边缘选择区域示意图，虚线所标示的区域主要为放大测试区域；(b)为扫描获取模式的图片，两侧对比度不同；(c)为粘结相界面的放大视图，在两侧中间有一条清晰的分界线；(d)为粘结相界面两侧的HRTEM，界面左右两侧分别进行SADP，标定后发现，上侧为晶带轴上Ni10(WC)3的衍射点，下侧为Ni(Cu)/>晶带轴上的衍射点；(e)为粘结相界面点阵参数的高分辨率图，发现Ni10(WC)3在/>方向的晶面间距为0.352nm,Ni(Cu)在(111)和(002)方向的晶面间距分别为0.215nm和0.185nm；(f)为粘结相界面的IFFT图，Ni(Cu)(111)方向与/>方向夹角差为5.13°。根据Bramfitt的二维晶格错配理论，晶格失配为12.35％，为半共格界面。(g)-(l)为NiCuBSi-WC60+2％V涂层中强化相及其边缘的TEM表征：(g)为TEM选定强化相边缘区域的低倍率照片，(h)为扫描获取模式的图片，对比度有明显差异；(i)为强化相边缘局部放大图，对位置1进行SADP分析，得到的晶格参数与W2C一致；(j)强化相界面两侧的HRTEM，两侧晶格参数边界清晰。通过两侧的FFT变换得到对应区域的衍射点，发现VC在右上方，对应的晶带轴为和/>方向的晶面间距分别为0.26nm和0.25nm，夹角为109°，证明是VC的合成。左下为W2C的/>晶带轴，(0001)和/>方向的晶面间距分别为0.48nm和0.26nm，夹角为90°；(k)VC和W2C界面的IFFT图，可以发现VC和W2C具有明显的共格边界；(l)为强化相界面的衍射图，在(111)方向上VC与/>方向上W2C的晶面间距均为0.26nm，证明了在界面处VC与W2C的取向关系为/>
基于以上试验结果可知，本发明的实施例1和实施例3的激光熔覆过程的微观结构演变如图7所示。实施例3相对于实施例1由于加入了V粉，其在激光熔覆过程中原位生成了絮状的W2C和VC，填充不含球形WC的空隙，提高了涂层的结构致密性，进而提升了耐磨强度。因此，磨粒在不同刀具表面的犁削作用如图8所示，图8中的(a)对比例1的5Cr5MoSiV1盾构滚刀耐磨钢，(b)为实施例1的NiCuBSi-WC60涂层滚刀，(c)为实施例3的NiCuBSi-WC60+2％V涂层滚刀。
综上所述，通过上述Ni基WC复合合金粉在盾构机滚刀基体表面激光熔覆形成增强涂层可以延长滚刀的服役寿命，满足更加苛刻工况的服役需求，进而提高掘进效率，保障施工安全，具有良好的经济效益。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种镍基碳化钨复合合金粉，其特征在于，其由组分A、组分B和组分C组成，所述组分A和组分B的混合质量比为35~45：55~65；
所述组分A为合金粉末，其元素组成按质量百分比计包括：C：0.01%~0.08%、Cu：15%~24%、Si：1.2%~2.0%、B：0.5%~1.0%、Fe：0.1%~0.5%，余量为Ni和不可避免的微量杂质；所述组分B为球形WC陶瓷粉；
所述组分C为钒粉，所述钒粉的添加量为所述组分A和所述组分B的总质量的1%~2%。
2.根据权利要求1所述的镍基碳化钨复合合金粉，其特征在于，所述组分A按质量百分比计包括：C：0.03%~0.05%、Cu：18%~22%、Si：1.5%~1.8%、B：0.7%~0.9%、Fe：0.2%~0.4%，余量为Ni和不可避免的微量杂质。
3.根据权利要求1所述的镍基碳化钨复合合金粉，其特征在于，所述组分A和组分B的混合质量比为38~42：58~62。
4.根据权利要求3所述的镍基碳化钨复合合金粉，其特征在于，所述组分A和组分B的混合质量比为40：60。
5.如权利要求1~4任一项所述的镍基碳化钨复合合金粉作为激光熔覆粉的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述激光熔覆粉为用于盾构机滚刀的专用激光熔覆粉。
7.一种镍基碳化钨复合涂层的制备方法，其特征在于，其包括：采用如权利要求1~4任一项所述的镍基碳化钨复合合金粉在基体表面进行激光熔覆，以在基体表面形成熔覆层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆的工艺参数为：激光熔覆过程中，保持所述基体的温度为240℃~270℃，激光熔覆功率1.5kW~3kW，单层熔覆厚度为1.2mm~1.5mm，熔覆2~3层，熔覆过程所述基体随旋转台转动，实际熔覆速度为8mm/s ~25mm/s，搭接率为45%~55%，激光光斑直径为：φ2.5mm~3.5mm，采用同轴送粉方式，送粉率为20g/min~40g/min，氩气流量：18L/min~22L/min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，熔覆完成后在炉中保温3h~5h后，随炉冷却。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆前将基体整体预热到240℃~270℃。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，激光熔覆前将基体整体预热到260℃。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述基体为盾构机滚刀刀圈。
13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在激光熔覆之前，对所述基体进行喷砂处理。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，喷砂至所述基体表面粗糙度为Ra3.2~Ra6.3。
15.一种盾构刀具，其特征在于，其表面通过如权利要求7-14中任一项所述的制备方法形成有所述镍基碳化钨复合涂层。
16.一种盾构机，其特征在于，其具有如权利要求15所述的盾构刀具。
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