地铁盾构刀具等离子体材料表面改性研究及应用

地铁盾构刀具等离子体材料表面改性研究及应用

论文摘要

脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术具有束流强、功率密度和能量密度高,能够集高速淬火、溅射制膜和离子注入于同一过程,可大幅度提高基体的表面硬度、耐磨性及耐蚀性。等离子熔敷复合材料涂层技术具有能量利用率高、生产效率高、使用成本低等特点,制备的涂层组织均匀细小,具有典型的快速凝固特征,涂层与基体结合良好,耐磨损耐腐蚀。北京地区的地层主要是以软土及沙卵石地层为主,地铁施工过程中盾构刀具磨损严重,使用寿命较低,面对这一现实情况,本文分别采用脉冲高能量密度等离子体沉积薄膜技术和等离子熔敷耐磨耐蚀复合材料涂层技术对地铁施工用盾构刀具的刀刃及刀体易磨损面进行表面改性处理,用以提高刀具耐磨耐蚀性能,延长其使用寿命。采用脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术在不锈钢及淬火高速钢基底表面沉积了Ta(C)N三元薄膜,对Ta(C)N三元薄膜的结构、表面形貌、纳米硬度及其元素沿深度分布进行了分析,并测试了薄膜的摩擦磨损特性。试验结果表明:Ta(C)N三元薄膜硬度高达14GPa,杨氏模量高达250GPa,薄膜和基底之间存在较宽的过渡层,保证了薄膜与基体的牢固结合,室温干滑动摩擦试验表明薄膜具有优异的摩擦磨损性能。采用等离子熔敷复合材料涂层技术在45#钢基体表面制备了(Cr,Fe)7C3/γ-Fe耐磨耐蚀复合材料涂层,分析了涂层的显微组织,测试了涂层的显微硬度和摩擦磨损性能及其耐腐蚀性能。结果表明:熔敷涂层平均显微硬度达820 HV,与基体相比,涂层的相对耐磨性提高约35倍,涂层耐蚀性能优异。按照优化的工艺参数,采用脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术在盾构刀具硬质合金刀头上沉积Ta(C)N三元薄膜;按照优化后的工艺参数及粉末成分配比,采用等离子熔敷复合材料涂层技术,在盾构刀具刀体易磨损面上制备了(Cr,Pe)7C3/γ-Fe耐磨耐蚀复合材料涂层。经这两种等离子体技术表面改性处理的盾构刀具在北京地铁十号线施工现场做了现场试验,结果表明,刀具的耐磨耐蚀性能显著提高,刀具的服役周期明显延长。

论文目录

  • 致谢
  • 中文摘要
  • ABSTRACT
  • 1 引言
  • 2 绪论
  • 2.1 选题背景
  • 2.1.1 盾构施工技术发展简史及我国盾构机技术的发展现状
  • 2.1.2 盾构施工技术基本原理
  • 2.1.3 盾构刀具的失效分析
  • 2.1.4 国内盾构刀具面临的问题
  • 2.2 等离子体的定义及特征
  • 2.3 脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术简介
  • 2.3.1 脉冲高能量密度等离子体的工作原理及特点
  • 2.3.2 目前常用硬质耐磨薄膜沉积技术比较
  • 2.3.3 脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术应用概述
  • 2.4 等离子熔敷制备先进复合材料涂层技术简介
  • 2.4.1 等离子熔敷工作原理简介
  • 2.4.2 等离子熔敷制备先进复合材料涂层技术特点
  • 2.4.3 等离子熔敷与激光熔敷技术比较
  • 2.5 本文的选题依据及意义
  • 2.6 本文的课题来源
  • 3 试验方法
  • 3.1 试验材料
  • 3.1.1 基体材料
  • 3.1.2 薄膜及涂层材料
  • 3.2 薄膜及涂层制备试验
  • 3.2.1 脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积试验
  • 3.2.2 等离子熔敷制备复合材料涂层试验
  • 3.3 薄膜及涂层的显微组织分析及性能测试
  • 3.3.1 X射线衍射(XRD)分析
  • 3.3.2 X射线光电子能谱(XPS)分析
  • 3.3.3 俄歇电子能谱(AES)分析
  • 3.3.4 扫描电子显微镜(SEM)分析
  • 3.3.5 原子力显微镜(AFM)分析
  • 3.3.6 纳米硬度测试
  • 3.3.7 显微硬度测试
  • 3.3.8 室温干滑动磨损试验
  • 3.3.9 电化学腐蚀试验
  • 4 PHEDP制备Ta(C)N薄膜组织、性能及工程应用
  • 4.1 Ta(C)N薄膜的晶体结构及化学组成分析
  • 4.1.1 Ta(C)N薄膜的晶体结构
  • 4.1.2 Ta(C)N薄膜化学成分组成
  • 4.2 Ta(C)N薄膜元素深度分布
  • 4.3 Ta(C)N薄膜的表面形貌
  • 4.4 Ta(C)N薄膜的纳米力学性能
  • 4.5 Ta(C)N薄膜干滑动摩擦磨损性能
  • 4.6 工程应用
  • 4.7 小结
  • 5 等离子熔敷耐磨复合材料涂层组织、性能及工程应用
  • 5.1 等离子熔敷耐磨复合材料涂层显微组织分析
  • 5.2 等离子熔敷耐磨复合材料涂层显微硬度测试
  • 5.3 等离子熔敷耐磨复合材料涂层摩擦磨损性能
  • 5.4 等离子熔敷耐磨复合材料涂层耐腐蚀性能
  • 5.5 工程应用
  • 5.6 小结
  • 6 结论
  • 参考文献
  • 附录A
  • 附录B
  • 作者简历
  • 学位论文数据集
  • 相关论文文献

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