[發明專利]一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具

在審

• 申請號: 202210532187.4
• 申請日: 2022-05-17
• 公開（公告）號: CN114653954A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 徐淑波;趙晨浩;薛現猛;張森;盧慶亮;孫化鑫;孫海波;張世超;胡馨支;馬錫全;景鵬飛
• 申請（專利權）人: 山東建筑大學
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F10/28;B82Y30/00;B82Y40/00;C22C29/08;C22C37/06;C22C38/36;C22C38/38;C23C24/10;B22F10/50;B22F10/66;B22F10/68;B22F5/00;B23K26/352
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1.一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具的方法；其特征在于首先利用機械球磨法制備刀刃與刀體粉末制成所需的混合粉末，并在超聲沖擊輔助下用3D打印技術實現對盾構機刀刃與刀體的一體打?。蝗缓筮M行表面拋光去除表面污垢沉積，并利用光纖激光打標機進行刀具主切削刃處的激光微織構處理；進而超聲波酒精和去離子水先后清洗，以保證盾構機刀具基體表面清潔無雜質；最后用攪拌球磨機制備熔覆涂層的納米粉末，并用激光熔覆技術完成對對刀具表面高耐磨耐腐蝕納米晶涂層的制備；其具體工藝方案如下：

（1）首先將質量比為W：C：Ni：Ti：Co=70:10:5:5:10的粉末倒入酒精溶液中用攪拌球磨機，磨球為WC-Co的硬質合金球，球料比10:1，轉速450 r/min，然后利用真空干燥箱對漿料進行干燥并過篩，然后將上述混合粉末球磨6小時以上，在與鈷粉混合后獲得硬質合金粉末作為刀刃材料；刀體粉末由質量比為C：Cr：Mn：Fe=5:8:2:85的粉末經過攪拌球磨機球磨4h制成；

（2）根據實際刀具的參數進行三維建模，構建出刀具的三維模型，并對盾構機刀具的刀具進行切片分層，得到各截面輪廓數據，由截面輪廓數據生成對應的掃描路徑；然后將步驟一得到的混合粉末添加到激光3D打印系統中，并在裝置中添加超聲沖擊設備，由激光3D打印系統在超聲波的作用下按照盾構機刀具的三維實體模型生成的加工程序依次將盾構機刀刃與刀體激光加工成型，其中激光3D打印系統運行時的激光功率為300W、掃描速度為1200mm/s、掃描間距為50μm、激光光斑為60μm，而超聲沖擊裝置則以沖擊速度為0.3m/min對成形層進行3min沖擊處理，然后將盾構機刀具基體置于乙醇中超聲清洗，烘干；

（3）先后使用粒度為800#與600#的金相砂紙對基體表面進行拋光處理，去除表面污垢沉積，使基體表面達到Sa1級清潔度，通過可輸出中心波長為1064nm的激光的光纖激光打標機，然后設定激光工藝參數為光斑直徑激光功率P=50W、掃描速度400mm/s、掃描次數N=5，對刀具前刀面靠近主切削刃處打出圓坑微織構陣列，打標深度為0.5mm；

（4）采用超聲波清洗機配合丙酮溶液對刀具表面進行清洗8分鐘，完全除去基體表面附著物及雜質，結束后將其置于80℃的環境中干燥1.5h；

（5）將Co50自熔性合金粉末作為粘結相，并在粉末中加入一定量的WC顆粒與Al粉(質量分數為1%)，激光熔覆粉末中WC與Co50的質量比為65:10，使用球磨(轉速為50 r/min)對激光熔覆粉末進行混合﹐處理3~4 h后將其球磨至100nm以下，然后放在干燥箱中對其干燥，采用真空環境避免其發生氧化反應；

（6）通過預置或同步送粉方式鋪在盾構機前刀刃的表面，厚度約為0.3~0.4mm，在流量為40L/min的氬氣環境中使其在半導體激光器laserline LDF（激光功率為1600w，掃描速度為5 mm/s，光斑直徑為5mm，離焦量為45 mm）的輻照作用下，迅速熔化、擴展并快速凝固(冷速高達102~106*C/s)，形成與刀具表面呈良好冶金結合的抗腐蝕、抗疲勞、高硬度、耐磨的納米涂層。

2.權利要求1中一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具的方法，其特征在于，通過3D打印成型盾構機刀具基體，顯著提高了材料的利用率，降低制造的時間與成本。

3.權利要求1中一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具的方法，其特征在于，3D打印中添加超聲沖擊裝置可使晶粒細化，即可增強基體的表面硬度，又能提高刀具的高溫力學性能。

4.權利要求1中一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具的方法，其特征在于，在3D打印過程中，始終以純度為99.9%的Ar氣作為保護氣體且保證流量為15 L/min，以避免粉末高溫氧化。

5.權利要求1中一種激光熔覆納米涂層盾構機微織構刀具的方法，其特征在于，通過表面拋光與激光微織構處理以改善3D打印后刀具表面往往毛刺較多與微觀組織不均勻的問題，減少刀具表面的摩擦系數，改善刀具表面的力學性能。