劉建琴，郭?曉，張?鑫，張?森，宋?欣

隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀涂層的激光熔覆修復(fù)實(shí)驗(yàn)與仿真研究

劉建琴1，郭?曉1，張?鑫1，張?森1，宋?欣2

(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

隧道施工中，隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的滾刀磨損嚴(yán)重，對(duì)更換下來(lái)的滾刀直接做報(bào)廢處理造成了資源浪費(fèi)、施工成本增高。針對(duì)滾刀磨損的再制造修復(fù)策略這一問題，本文開展了激光熔覆仿真及新型涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)提高滾刀的磨損質(zhì)量進(jìn)行了相關(guān)的探索與實(shí)踐．首先通過有限元仿真建立了雙橢球體熱源激光熔覆仿真模型，探究激光熔覆對(duì)滾刀基層及熔覆層材料殘余應(yīng)力的影響，并為熔覆實(shí)驗(yàn)提供了工藝參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)；在此基礎(chǔ)上，利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件，將激光熔覆技術(shù)與新型材料石墨烯相結(jié)合，開展了滾刀新型涂層的激光熔覆實(shí)驗(yàn)．利用正交試驗(yàn)的方法將石墨烯含量、激光功率、掃描速度和送粉盤轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素，將表面硬度和耐磨性作為評(píng)價(jià)依據(jù)，分別設(shè)置4組不同水平進(jìn)行比較，從而優(yōu)選具有更高耐磨性的材料配比與工藝參數(shù)．結(jié)果表明，石墨烯的加入對(duì)涂層的耐磨性具有大幅的提高，與基體材料相比，加入石墨烯的涂層，其磨損程度較傳統(tǒng)涂層最大可減少91.32%，較基體材料最大可減少99.86%．本文通過對(duì)激光熔覆技術(shù)和新型材料石墨烯的研究，采取仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，為提高TBM滾刀的磨損質(zhì)量、選擇其再制造策略提供了方法指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支持．

激光熔覆；滾刀耐磨涂層；石墨烯；再制造修復(fù)

在隧道工程中，安裝在刀盤上的滾刀與巖體直接接觸，工作環(huán)境惡劣，磨損嚴(yán)重．由滾刀磨損導(dǎo)致的停機(jī)換刀工作，是降低隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工效率的重要因素．對(duì)更換下來(lái)的滾刀進(jìn)行報(bào)廢處理，導(dǎo)致部分仍有再制造價(jià)值的滾刀被直接廢棄，造成了資源的浪費(fèi)和施工成本的提高．如果能將磨損的刀具回收，通過再制造修復(fù)使其再重新被利用可以在一定程度上降低施工成本、節(jié)約資源、減少浪費(fèi)．據(jù)統(tǒng)計(jì)，刀具磨損所造成的經(jīng)濟(jì)損失約占隧道施工總成本的30%，例如軟硬復(fù)合地層的廣州地鐵三號(hào)線天五區(qū)間右線，在一個(gè)半月的盾構(gòu)施工中共更換刀具43把，在55天的掘進(jìn)施工中共更換滾刀85把[1]．可見刀具的磨損會(huì)直接關(guān)系到施工的時(shí)間和成本．在當(dāng)前研究中，大多針對(duì)滾刀的布局、安裝方式等進(jìn)行研究，從而減少其在掘進(jìn)過程中所受載荷[2]；也有學(xué)者通過有限元分析，建立滾刀孔區(qū)域危險(xiǎn)點(diǎn)的裂紋萌生壽命，以此分析影響滾刀磨損和再制造的因素[3]；而采用表面改性等工藝手段來(lái)減少滾刀磨損的研究則相對(duì)較少．

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的表面改性技術(shù)，其通過高能密度的激光束使熔覆材料與基材材料熔凝，在基材表面形成具有一定力學(xué)性能的熔覆層．該技術(shù)可以在基材表面制備耐磨損、耐腐蝕、抗疲勞和其他具有特殊性能的涂層．趙建峰等[4]將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的再制造工作當(dāng)中，使得產(chǎn)品的性能不低于新品，達(dá)到了預(yù)期的效果．沈婧怡等[5]運(yùn)用脈沖激光成型技術(shù)對(duì)TC4葉片進(jìn)行了疲勞損傷與磨損的再制造修復(fù)，對(duì)其微觀組織及其力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估與優(yōu)化．劉洪喜等[6]提出了一種鈦基激光熔覆再制造粉末，具有優(yōu)良的力學(xué)性能．陳小明等[7]運(yùn)用激光熔覆技術(shù)，結(jié)合石墨烯新型材料提出了一種用于海洋設(shè)備的鎳基再制造涂層，具有良好的耐腐蝕耐磨損性能．楊立軍等[8]則利用碳化鎢熔覆層使海洋石油開采中的鐵基材料提高耐磨性與耐腐蝕性．姬秀芳[9]結(jié)合石墨烯新型材料，運(yùn)用激光熔覆技術(shù)制備了316L不銹鋼再制造涂層，具有較高的耐腐蝕耐磨損性能．王澤鍇等[10]將石墨烯與激光熔覆技術(shù)結(jié)合，制備了刀具再制造涂層，并獲得了優(yōu)良的力學(xué)性能．上述學(xué)者均采用表面改性技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的再制造技術(shù)做出了一定的探索，對(duì)TBM刀盤刀具的再制造具有一定的借鑒意義．目前研究中隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具的再制造技術(shù)實(shí)踐及相關(guān)理論研究較少，尚未有將激光熔覆技術(shù)與新型材料應(yīng)用到滾刀的再制造修復(fù)中.

因此，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)施工中滾刀的再制造修復(fù)問題，本文開展了滾刀激光熔覆仿真及新型涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)滾刀的再制造策略研究進(jìn)行了相關(guān)的探索與實(shí)踐，可為完善滾刀的再制造策略提供方法指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支持．

1?滾刀涂層激光熔覆仿真研究

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是激光熔覆技術(shù)所不可避免的，殘余應(yīng)力過大會(huì)導(dǎo)致工件的變形，甚至?xí)诠ぜ?nèi)部產(chǎn)生裂紋，惡化工件性能，因此控制熔覆過程中殘余應(yīng)力的產(chǎn)生變得尤為重要．由于激光熔覆采用的激光功率較高，加熱和冷卻速度都較快，加之熔池尺寸較小，溫度較高，難以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量熔池和基體的溫度分布以及后續(xù)的應(yīng)力分布[11]．故通過模擬仿真對(duì)連續(xù)激光作用下材料表面熱修復(fù)過程的傳熱和力學(xué)行為規(guī)律進(jìn)行定性、定量的分析．

1.1?激光熔覆仿真模型

1.1.1?激光熔覆熱源模型

激光束作為熔覆熱源具有高能、集中、瞬時(shí)三大顯著特征[12]．常見的熱源模型有高斯面熱源模型和高斯體熱源模型．董志波等[13]、董克權(quán)等[14]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明采用雙橢球熱源模型的仿真結(jié)果比高斯熱源模型更接近實(shí)際情況，為真實(shí)地獲取激光熔覆過程中熔覆層和滾刀基體表面熔覆過程、冷卻過程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化過程，本文采用雙橢球體熱源作為激光熱源模型，如圖1所示．

圖1?雙橢球體熱源模型

本文通過Fortran語(yǔ)言編寫用戶子程序定義熱源移動(dòng)載荷，通過DFLX子程序建立激光熱源模型，包括熱源的水平及垂直載荷以及熱源與熔覆單元配合的運(yùn)動(dòng)軌跡．

1.1.2?滾刀及熔覆層材料屬性

滾刀刀圈材料為H13鋼(4Cr5MoSiV1)，基層材料與滾刀刀圈材料一致，熔覆粉末中鎳基合金粉末占比最多，為簡(jiǎn)化仿真模型，熔覆層材料選NI60．H13鋼密度7690kg/m3，屈服應(yīng)力1.469GPa；NI60密度8544kg/m3，屈服應(yīng)力2.2GPa．查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取滾刀及熔覆層材料屬性[15]，在Abaqus中定義滾刀H13鋼及熔覆層NI60的傳導(dǎo)率、彈性、膨脹系數(shù)、塑性、比熱容等材料屬性如表1和表2所示．

表1?H13材料屬性

Tab.1?Material properties of H13

1.1.3?激光熔覆模型

通過編寫程序循環(huán)建立多個(gè)溫度-位移耦合分析步，包括多個(gè)激光熔覆分析步以及一個(gè)冷卻步，并通過Abaqus中相互作用模塊中的單元型號(hào)改變功能實(shí)現(xiàn)激光熔覆的同軸送粉過程，即在基層表面隨激光熱源的移動(dòng)而逐漸生成熔覆層網(wǎng)格單元．并通過相互作用模塊定義對(duì)流輻射，表面熱交換屬性設(shè)置環(huán)境溫度為20℃，NI60輻射率為0.25，H13鋼輻射率為0.55；NI60膜層散熱系數(shù)80，H13膜層散熱系數(shù)70．

表2?NI60材料屬性

Tab.2?Material properties of NI60

通過載荷設(shè)置邊界條件，約束H13鋼基體底部．通過循環(huán)程序建立分析步，并與網(wǎng)格單元的型號(hào)改變匹配，改變激光功率及激光掃描速度，探究激光功率與激光掃描速度對(duì)基層及熔覆層殘余應(yīng)力的影響．激光熔覆模型如圖2所示．

圖2?激光熔覆仿真模型及結(jié)點(diǎn)溫度變化

1.2?仿真結(jié)果分析

取激光功率1100W、1400W、1700W、2000W，掃描速度為200mm/min、400mm/min、600mm/min、800mm/min，激光熔覆冷卻步的時(shí)間為800s．通過Abaqus中作業(yè)模塊導(dǎo)入編寫的激光光源子程序，運(yùn)行激光熔覆仿真模型，進(jìn)行計(jì)算．并通過matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到熔覆層及滾刀基層表面的平均殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)變，如圖3所示．

由圖3可知：無(wú)論激光熔覆下熔覆層NI基還是基層H13鋼的殘余應(yīng)力均小于兩材料的屈服應(yīng)力；采用較低的激光功率以及較快的掃描速度可以有效減少熔覆層及滾刀基體表面的層殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變．所以從減小熔覆層及基層殘余應(yīng)力的角度來(lái)講，激光功率的最佳工藝范圍為1100～1400W，激光掃描速度最佳工藝范圍為600～800mm/min．

2?新型滾刀涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)

滾刀涂層激光熔覆仿真研究從降低殘余應(yīng)力的角度給出了激光熔覆技術(shù)在激光功率和激光掃描速度兩個(gè)工藝參數(shù)的選取建議．在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步探究工藝參數(shù)及材料配比對(duì)涂層硬度和耐磨性的影響，改善現(xiàn)有的工業(yè)耐磨涂層，探究其最佳工藝及熔覆層材料最佳配比，本文將激光熔覆技術(shù)與石墨烯新型材料相結(jié)合，開展了新型滾刀涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)．其中，石墨烯(graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及能源等領(lǐng)域．實(shí)驗(yàn)總體路線如圖4所示，包括熔覆層材料配樣、激光熔覆實(shí)驗(yàn)、硬度測(cè)試、耐磨性測(cè)試、結(jié)果分析、方案優(yōu)選等步驟．

圖4?實(shí)驗(yàn)路線

2.1?滾刀涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

本次激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用的基體材料是與前述仿真材料一致為 H13鋼(4Cr5MoSiV1)，基體尺寸為 30mm×30mm×10mm．熔覆粉末分別為

(1) 鎳基合金粉末(Nistelle 625)，顆粒尺寸-80～270目；

(2) 球形鑄造碳化鎢粉末，顆粒尺寸-100～270目；

(3) 工業(yè)氧化石墨烯，片層直徑 10～50mm．

本次激光熔覆實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要包括：

(1) 激光熔覆設(shè)備：IPG4000W 光纖激光器及其配套設(shè)備；

(2) 處理與檢測(cè)設(shè)備：DK7745型電火花數(shù)控線切割機(jī)床、PG-1A 型拋光機(jī)、HXD-1000TMC/LCD顯微維氏硬度計(jì)、ZA220.R4十萬(wàn)分之一分析天平、MVF-1A型立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等．

2.2?實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)以70%鎳基合金、30%碳化鎢的融覆涂層(即為當(dāng)前滾刀激光熔覆的傳統(tǒng)涂層[16])以及無(wú)涂層的基體材料作為對(duì)照組；固定鎳基合金70%不變，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)試驗(yàn)組其他材料占比．根據(jù)試件的表面硬度及磨損質(zhì)量等參數(shù)，優(yōu)選出具有最佳耐磨性的涂層最佳配比及最佳工藝參數(shù)．主要工藝參數(shù)為激光功率、掃描速度及送粉盤轉(zhuǎn)速以及石墨烯含量．為考察上述4個(gè)參數(shù)變化對(duì)熔覆涂層性能的影響，設(shè)計(jì)4因素4水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及水平如表3所示，以A、B、C、D分別代表本實(shí)驗(yàn)選取的4個(gè)因素，參考L16(45)正交表確定的正交試驗(yàn)計(jì)劃表，如表4所示．

表3?試驗(yàn)因素及水平

Tab.3?Test factors and level

表4?正交試驗(yàn)計(jì)劃表

Tab.4?Orthogonal test schedule

激光熔覆工作流程如下所述：首先將基體材料用砂紙打磨，并用丙酮清洗基材表面以去除表面的油污，并且烘干備用．接著將熔覆材料按照表3中所述石墨烯含量混合均勻并在真空干燥箱中烘干，干燥溫度150℃，干燥時(shí)間3h．在正式熔覆之前，對(duì)基體材料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度150～180℃；預(yù)熱完成后按照表4所示參數(shù)進(jìn)行激光熔覆并進(jìn)行編號(hào)．為便于分析，傳統(tǒng)涂層材料與基體材料的編號(hào)分別為17和18；為避免碳化鎢粉末氧化，在同軸送粉的過程中采用高純氬氣進(jìn)行氣體保護(hù)，預(yù)熱及熔覆過程如圖5所示．

后續(xù)處理與檢測(cè)：①用線切割機(jī)制樣；②用砂紙和拋光機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拋光，用無(wú)水乙醇清洗試件表面，使用顯微硬度計(jì)測(cè)量各試件表面硬度，施加載荷9.807N，加載時(shí)間10s．測(cè)量4點(diǎn)硬度并取均值，將均值作為該試樣的涂層表面硬度；③再次對(duì)試樣進(jìn)行研磨及拋光，用無(wú)水乙醇清洗試件表面，之后進(jìn)行烘干；用電子天平稱量各試件的質(zhì)量，每試件測(cè)量6次質(zhì)量，去除極值后取平均值作為試件磨損前的質(zhì)量；用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，設(shè)定測(cè)試溫度為室溫，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min，摩擦?xí)r間為30min，載荷為12N[16]；磨損試驗(yàn)結(jié)束后再次稱量各試件質(zhì)量，試驗(yàn)前后的質(zhì)量差即為磨損質(zhì)量；④根據(jù)上述檢測(cè)工作結(jié)果，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出滾刀新型涂層的最佳配比及最佳工藝．

圖5?預(yù)熱及激光熔覆工藝

2.3?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6、圖7分別為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的硬度對(duì)比和耐磨性對(duì)比．由圖6、圖7可以看出：添加石墨烯后的涂層較傳統(tǒng)涂層(17號(hào))硬度及基體材料(18號(hào))硬度均取得了一定的提升．在16組試驗(yàn)中，硬度最高的為試樣1，其硬度較基體材料提高了147.68%，較傳統(tǒng)涂層提高了48.47%；硬度最低的為試樣13，其硬度與傳統(tǒng)涂層基本持平，但與基體材料相比硬度仍提高了64.53%，硬度提高效果最為顯著．

圖6?硬度對(duì)比

圖7?耐磨性對(duì)比

以各因素的水平值為橫坐標(biāo)，以其對(duì)應(yīng)的指標(biāo)均值為縱坐標(biāo)，繪制各因素的水平趨勢(shì)圖，如圖8所示．從圖8中可以看出：

(1) 當(dāng)石墨烯含量為2%左右時(shí)，試樣的磨損質(zhì)量存在極小值，耐磨性能較為優(yōu)異；當(dāng)石墨烯含量高于4%時(shí)，其磨損質(zhì)量可能進(jìn)一步降低，但隨著石墨烯含量的增多，其“團(tuán)聚”效應(yīng)也可能會(huì)對(duì)試樣力學(xué)性能造成不利影響，需綜合考慮；

(2) 隨著激光功率的升高，試樣的磨損質(zhì)量增多，耐磨性能下降，故更優(yōu)的激光功率參數(shù)可能存在于小于1100W 的范圍內(nèi)；

(3) 隨著掃描速度的增加，試件的磨損質(zhì)量降低，耐磨性提高，故更優(yōu)的掃描速度可能存在于大于800mm/min 的范圍之內(nèi)，但需綜合考慮涂層的宏觀尺寸與力學(xué)性能等問題；

(4) 當(dāng)送粉盤轉(zhuǎn)速在 50r/min 左右時(shí)，試樣的磨損質(zhì)量出現(xiàn)極大值，耐磨性較差，更優(yōu)的掃描盤轉(zhuǎn)速可能存在于小于30r/min 和大于90r/min 的范圍內(nèi)，但需綜合考慮粉末的流動(dòng)性以及激光熔覆設(shè)備的工藝性能范圍等．

綜上所述，經(jīng)過正交試驗(yàn)結(jié)果分析，通過已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)初選出的優(yōu)選方案為石墨烯含量1%，激光功率1700W，掃描速度400mm/min，送粉盤轉(zhuǎn)速90r/min．

3?結(jié)?論

(1) 通過Abaqus有限元仿真建立雙橢球體熱源激光熔覆仿真模型，探究了熱修復(fù)過程對(duì)基層及熔覆層的力學(xué)影響．仿真結(jié)果表明采用較低的激光功率以及較快的掃描速度可以有效減少熔覆層及滾刀基體的層殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，為解決熔覆技術(shù)中所存在的殘余應(yīng)力問題，提供了工藝參數(shù)優(yōu)化的思路和依據(jù)．

(2) 將激光熔覆技術(shù)與石墨烯新型材料結(jié)合，開展了滾刀新型涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)研究，從耐磨性和硬度的角度優(yōu)選工藝參數(shù)及熔覆層材料配比．通過分組實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出了可大幅度提高滾刀耐磨性的材料配比與工藝參數(shù)：石墨烯含量1%，激光功率1700W，掃描速度400mm/min，送粉盤轉(zhuǎn)速90r/min．新型滾刀涂層激光熔覆實(shí)驗(yàn)為滾刀的涂層制造及性能改良提供了一種實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)支持，通過表面改性技術(shù)與新型材料相結(jié)合制造滾刀的涂層，具有充分的理論依據(jù)和廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)滾刀的初次制造以及再制造策略選擇具有參考價(jià)值和實(shí)踐意義．

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Experimental and Simulation Research on the Laser Cladding Repair of Tunnel Boring Machine Cutters’ Coating

Liu Jianqin1，Guo Xiao1，Zhang Xin1，Zhang Sen1，Song Xin2

(1. School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. College of Engineering and Technology，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China)

Heavily worn cutters of a tunnel boring machine(TBM)are scrapped during tunnel construction，resulting in waste of resources and increased construction costs. To address the lack of remanufacturing and repair strategies for cutters，a laser cladding simulation and new coating lasers have been carried out. The cladding experiment research carried out relevant exploration and practice on the remanufacturing research of cutters. This paper established a double ellipsoid heat source laser cladding simulation model through finite element simulation. Moreover，the influence of laser cladding on the residual stress of the cutter base and cladding layer material was investigated. The basis of process parameter optimization for the cladding experiment was provided by finite element simulation. Combining the laser cladding technology with graphene，the laser cladding experiment of the new cutter was carried out. Using the orthogonal test method，the graphene content，laser power，scanning speed，and speed of the powder feeding plate were taken as test factors，while the surface hardness and wear resistance were taken as the evaluation basis. Four groups of different levels were set for comparison to select the material ratio and process parameters with higher wear resistance. The laser cladding experiment of the coating shows that the addition of graphene can greatly improve the wear resistance of the coating compared with the base material. Coating with graphene can reduce the wear quality by 91.32% when compared with traditional coating，which can be reduced by 99.86% when compared with the base material. In this paper，through the study of laser cladding technology and graphene，the combination of simulation and experiment provides method guidance and data support for improving the wear quality of the TBM cutter and selecting a remanufacturing strategy.

laser cladding；cutter wear-resistant coating；graphene；remanufacturing repair

U455.3

A

0493-2137(2023)01-0103-08

10.11784/tdxbz202109001

2021-09-01；

2021-10-14.

劉建琴（1972—??），女，博士，副教授，gx19971018@163.com.

宋?欣，3016201068@tju.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52075370).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 52075370).

(責(zé)任編輯：許延芳)