盾构刀具硬质合金激光表面处理研究现状

　　[摘要]盾构刀具由硬质合金刀头与高强度钢基体纤焊连接而成。硬质合金刀头的过早脱落与过快磨损是影响盾构刀具工作寿命的主要原因。激光技术具有节能、快速、绿色、精确自动化的独特优势。应用激光技术对硬质合金进行表面处理，可提高盾构刀具的可靠性。综述了改善硬质合金性能的激光技术，论述了激光处理对盾构刀具性能的改善情况;详细评述了激光织构技术对硬质合金纤焊性能、表面摩擦性能以及涂层结合强度的改善研究;介绍了激光相变硬化技术对硬质合金表面进行处理，提高硬质合金刀具耐磨性的研究进展;最后对盾构刀具硬质合金表面激光处理的发展趋势进行了分析展望。

　　[关键词]激光处理;表面处理;盾构刀具;硬质合金

　　Abstract: Shield cutter is brazed by cemented carbide cutter head and high strength steel substrate. The premature falling off and the rapid wear of cemented carbide cutter head are the main reasons affecting the working life of shield cutter. Laser technology has unique advantages like energy saving, rapid processing, green manufacturing and precise automation. The reliability of shield cutter can be improved by lase surface treatment of cemented carbide. In this paper, laser treatment for improving cemented carbide properties was summarized, and its effect on improving shield cutter properties was discussed. Then, the improvement of brazing, surface friction and coating bonding strength of cemented carbide by laser texturing were reviewed in detail. Besides, the research progress of laser transformation hardening to treat cemented carbide surface and to improve wear resistance of cemented carbide tools was introduced. At last, the development trend of laser surface treatment of cemented carbide was briefly analyzed and prospected.

　　Key words: laser treatment; surface treatment; shield cutter; cemented carbide

　　0前言

　　盾构刀具被称为盾构机的“牙齿”，是盾构机的破岩工具。盾构刀具是由硬质合金刀头与高强度钢基体通过钎焊连接而成。盾构刀具常见的失效形式为硬质合金刀头脱落或过快磨损[。根据相关数据，盾构刀具的检测、维护所需时间占整个建设周期的1/3，相关费用占整个工程造价的1/3。激光表面处理[2.3是一种绿色、高效的表面处理技术，包括激光织构技术(Laser Surface Texturing，LST)、激光表面重熔技术(Laser Surface Remelting，LSR)、激光熔覆技术(Laser Cladding，LC)、激光表面合金化技术(Laser Surface Alloying，LSA)等[.3。利用高能量激光束对硬质合金刀具进行表面处理，通过改善硬质合金钎焊性能与耐磨性能，可提高盾构刀具可靠性，延长服役时间，降低工程成本。

　　1改善纤料对硬质合金表面润湿性能的方法

　　硬质合金表面含有大量的游离态碳及金属氧化物，不利于钎料对硬质合金的润湿[，严重影响盾构刀具的钎焊强度：加之硬质合金与钢的线膨胀系数差别较大，致使钎焊接头存在较大的残余应力，在盾构机的掘进过程中，硬质合金刀头出现过早脱落的情况，影响挖掘效率。激光织构技术是利用高能激光束对材料表面进行刻蚀.5，制备得到规则的表面微形貌(织构)的先进加工技术。激光织构技术以改变表面形貌的方式，可降低硬质合金表面接触角，促进钎焊过程中钎料的流动铺展，改善钎料润湿效果，以达到提高钎焊接头强度的目的。

　　通过改变织构的形貌、排列分布、尺寸，可改变钎料对硬质合金的润湿性能。当前研究主要针对具有常规几何形貌的织构[10]，如光栅、圆形和方形织构[11，12]，如图 1 所示。Qin 等[13]研究了三角形织构、方形织构和圆形织构对硬质合金表面润湿性的影响，发现在织构凹坑间距和尺寸相同的情况下，圆形凹坑织构对硬质合金表面润湿性的改善效果最好。此 外，冯 爱 新等[14]研究了圆形凹坑织构的尺寸对硬质合金表面润湿性的影响后发现，凹坑直径一定时，深度越大，越不利于钎料对硬质合金表面的润湿; 凹坑深度一定时，直径越大，越有利于钎料对硬质合金表面的润湿; 当织构密度为 12%时，织构对硬质合金表面润湿性的改善效果最好。杨奇彪等[15]应用激光技术对 YG6 硬质合金进行了表面处理，研究了织构分布密度对硬质合金表面润湿性的影响发现: 凹坑面积一定时，织构分布密度越大，表面接触角越小，即硬质合金润湿性越好。这是由于单位面积凹坑数目的增多，有利于储存液体。研究发现，无论何种织构形貌，凹坑分布密度一定时，硬质合金表面润湿性都随着凹坑面积的增大而变低。张丽霞等[16]对 YG8 硬质合金表面织构处理后的钎焊性能进行了研究，试验发现钎焊接头抗剪强度提高到 51 MPa，断裂处为母材和钎缝热影响区母材侧。杨奇彪等[17]对制备织构的激光功率进行了研究，试验测得YG3 硬质合金的表面损伤阈值为 1.82 J/cm2，计算得出激光功率密度超过 8.98 J/cm2时，YG3 硬质合金的润湿性能开始降低。

　　综上研究结果可知，织构分布密度越高，表面积越大，尤其当织构形貌为圆形时，硬质合金表面润湿性最好。但是，当前研究大多关注于定性分析，针对最佳织构密度、最佳织构凹坑深径比等参数的定量分析尚未见诸于报道，仍具有一定的研究空间。

　　2降低硬质合金表面摩擦系数的方法

　　硬质合金刀头的快速磨损是影响盾构刀具工作质量和降低服役寿命的主要因素之一。盾构机性能要求的不断提高也对硬质合金刀具的耐磨性、硬度等提出越来越严苛的要求。根据仿生摩擦学理论，特异的微结构可使物体表面具有优异的减摩、抗粘、抗磨损等特性[181。研究发现，激光织构技术可在不改变材料基本性质的情况下，有效改善硬质合金刀具表面的摩擦特性[0。

　　Fang等[20通过应用激光表面织构技术对YG系列硬质合金表面进行加工，在不影响表面完整性的情况下，雕刻出规则的六角形金字塔阵列，使硬质合金表面粗糙度得到降低。Meng等四应用Nd:YAG激光对硬质合金表面进行织构处理后，发现具有微尺度织构的硬质合金比未织构硬质合金具有更低的粗糙度。Fang等[2采用激光干涉图样技术(Direct Laser Interference Patterning，DLIP)，在硬质合金表面制得光栅状织构，使得硬质合金表面粗糙度明显降低。王震等24在YG8硬质合金表面加工出直径100 um、深度20 um、间距200 m的圆形微织构阵列，在微量润滑条件下进行了载荷、速度及织构对摩擦系数影响的研究，结果表明，织构可以有效改善硬质合金摩擦性能，在低速高载及高速中载条件下，织构的改善作用最为明显，如图2所示。Sharma等[应用Nd：YAG激光在硬质合金表面加工出由直径40 um的微圆坑与宽度80um、深度50 um、间距200 um的微沟槽组成的混合微织构，加工后的硬质合金刀具表面切削力与粗糙度明显降低。Sun等[]在硬质合金刀具表面分别以微沟槽、微凹坑、微沟槽与微凹坑混合的形式进行了激光织构处理，微沟槽宽度40 um，深度50 um，间距100 m，微圆坑直径40 um，深度50 um，试验结果表明，具有微凹坑织构的硬质合金表面粗糙度最小，特别在织构方向和切削方向垂直时，效果最为明显。织构凹坑在切削过程中可以收集磨屑，改善切削面磨屑的粘结情况，有利于降低摩擦系数;在润滑切削条件下，凹坑能够存贮少量切削液，提高切削液的利用效率，改善切削过程中的润滑情况，减缓硬质合金刀具的磨损。Lei等[应用飞秒激光技术在硬质合金刀具表面制备得到微凹坑织构，并用切削液进行填充，试验发现硬质合金刀具的平均切削力减少10%-30%，刀-屑接触长度减少30%。吴泽等[21使用HDM-50半导体侧面泵浦YAG激光器在硬质合金刀具表面进行加工，制得具有微织构的自润滑刀具，试验发现制得的自润滑刀具切削力明显降低，切削面磨损情况改善显著。

　　研究发现2.30，不同形状及尺寸的织构形貌对硬质合金表面的摩擦性能有着差异化的影响效果，与改善润湿性能类似，圆形凹坑的减摩效果最好。符永宏等[30研究了激光脉冲、电压、压力等参数对织构形貌的影响，并对YG6X硬质合金刀片表面进行激光加工，得到了直径270 m、深度6um的圆形凹坑，观察发现重凝层生成了细小、致密的细晶组织;WC颗粒受热重凝后，以非均匀形核的方式在熔池周边形成凸体形貌的非均匀晶核，与基体结合更加紧密。顾亚励等5对硬质合金进行了表面加工，研究了激光功率、脉冲宽度与辅助气体对织构形貌及尺寸的影响，并探讨了其形成机理，试验发现，凸体织构容易产生切屑瘤，无论在高速还是低速切削条件下，均可对硬质合金刀具产生保护作用：尤其当织构面积占比为20%时，硬质合金表面摩擦系数降低幅度最大。李玉弟[3研究了激光能量及脉冲次数对织构尺寸及形貌的影响，指出织构直径的大小和激光能量大小成正比关系，而与脉冲次数无关。

　　根据以上研究成果可知，当表面织构凹坑较深时，切削时可使切削液快速聚集于刀-屑界面，充分发挥切削液对刀具的保护作用：随着切削过程的进行，硬质合金表面不断磨损，表面织构凹坑深度变小，有利于切削液的流动铺展，改善刀-屑界面的润滑状态，减缓硬质合金刀具的磨损。当织构凹坑根据分布而深度大小不同时，随着硬质合金刀具表面的磨损，可实现切削液的定向流动，即从凹坑深度大的部分表面向凹坑深度小的部分表面。

　　3提高硬质合金表面硬度的方法

　　激光相变硬化[30是利用激光快速扫描工件表面到相变点以上，高温表面在基底冷却下自冷淬火，实现表面硬化的过程。盾构刀具选用的硬质合金为粗晶硬质合金(WC晶粒尺寸为3.5~4.9 um)，以保证较高的断裂韧性和较低的经济成本，牌号为YG系列，即钨钴类硬质合金，其中由WC颗粒作为硬质相，Co作为粘结相。相较于粗晶硬质合金，细晶硬质合金虽然断裂韧性较差，但是具有更好的硬度和耐磨性能。应用激光辐照硬质合金表面，可使得表层WC晶粒发生重熔细化，从而实现表面硬度的提高。由于Co和wC的熔点相差很大，硬质合金表面激光相变硬化过程可分为表面去Co与表面WC颗粒重熔。

　　Co作为YG系列硬质合金的粘结剂，相对WC具有很高的延展性与粘结性，Co的富集会影响硬质合金的表面硬度。利用WC与Co的熔点差异，应用激光对硬质合金进行表面辐照，可对Co进行选择性的去除。

　　Kano等]应用能量密度分别为0.25，0.37，0.87J/cm2的脉冲Nd:YAG激光束对YG12硬质合金进行表面改性后发现，随着激光能量的提高，硬质合金表面硬度变低。这是因为在激光照射点附近发生了钻元素的扩散和富集，硬质合金表面软化。激光能量为0.25 J/cm2时，适合Co的聚集和表面杂质元素的去除，同时不破坏表面。Aroyo等应用脉冲HyBrD铜激光器对Co基硬质合金进行了表层处理，通过观测发现激光脉冲产生的高温使得Co向表面富集，表面生成了WC和w，C脱碳相：调节激光器能量强度和脉冲次数，可制得不同纹理的表层形貌。杨胶溪等[7应用激光束辐照硬质合金表面进行Co的熔融及蒸发，使得Co含量从10%~30%降至3%-9%，提高了硬质合金的表面硬度。

　　研究发现，随着激光功率的增加，硬质合金表面的WC相会发生非平衡相变等变化，较高的激光功率使得硬质合金表面WC颗粒发生重熔，生成致密化表层。

　　吕东升等[国利用2kW连续波CO2激光器对YG8硬质合金进行表面硬化后发现，试样的抗弯强度由1905

　　MPa提升到2010 MPa，维氏硬度由780 HV提高到1311 HV，观察发现试样表层WC晶粒细化，分析得知激光辐照提高了表层a相中wC的固溶度，抑制了B-Co向a-Co的相变，使得抗弯强度和硬度提高。吕东升[W]对YG系列硬质合金进行激光表面硬化处理，硬化层深度0.16-0.17 mm，表面显微硬度提高约68%。

　　经过XRD分析发现，在Co粘结剂发生溶解的过程里，wC分解生成了w2C，因此提高了表面硬度。王尚志[4对YG20硬质合金进行了激光表面处理，试样经处理后抗弯强度提高10%以上，显微硬度提高80%，耐磨性能提高1.6倍，经扫描电镜观察发现，表面硬化层内wC的晶粒度比未处理部分明显细化，当激光能量密度达到43J/mm2时，硬质合金表面开始熔化，达到75J/mm2时，硬质合金表面出现熔化区，抗弯强度和硬度急剧下降。Wu等[1利用50 kHz、扫描速率0.5 mm/s.功率3~6w的激光对硬质合金进行了表面处理后发现，随着激光功率的增加，硬质合金表层的氧元素含量呈现逐渐增加的趋势，激光功率大于5w时，硬质合金表面上生成大量氧化物，并形成大量挥发性气体，表面硬度开始大幅度降低，激光功率为9 w时硬质合金表面烧蚀严重，硬度迅速降低。单世瑾[4]对硬质合金刀具进行激光表面处理后发现，强化处理后的刀具使用寿命比未处理的刀具提高了1倍，通过分析得知刀具耐磨性的提高是由于以下2种变化的综合作用：一是合金表层组织晶粒细化;二是瞬间高温使wC.w或C溶入到粘结相中。

　　根据以上结果可知，选用适当功率的激光对硬质合金进行表面处理，可降低表面钻元素含量，使wC晶粒细化，有助于提高表面硬度，减少盾构刀具工作时硬质合金的磨损，进而延长盾构刀具工作寿命。

　　4辅助沉积高性能涂层的方法

　　尽管硬质合金具有优良的耐磨损性能，但由于掘进过程中岩土对盾构刀具的摩擦、冲击等影响，造成硬质合金出现快速磨损、崩刃等。表面涂层有助于使硬质合金获得更优越的耐磨性能，进而提升盾构刀具的使用寿命和工作可靠性[]，沉积涂层可分为硬度高、耐磨性好的“硬"涂层，如TiN.TiC和金刚石薄膜，以及摩擦系数小的“软”涂层，如Mos2.WS2，wC/C等[4涂层与硬质合金之间的结合强度对涂层的使用寿命具有重要影响，即由于涂层成分和硬质合金基体的热膨胀系数不同，导致界面结合处在冷却过程中产生裂纹[5.4，随着掘进工作的进行，裂纹不断扩散，造成涂层过早脱落。

　　激光织构加工可作为沉积涂层的预处理手段，通过破坏原表面结构，形成新的表面缺陷，有助于改善涂层与基体之间的附着力。冯爱新等[)利用YIP-HP系列脉冲光纤激光器对硬质合金表面织构处理后，应用磁控溅射方法沉积了厚度6um的TAIN涂层。试验发现，经激光处理后硬质合金涂层结合力提高了近5倍：织构深度、直径和密度会影响硬质合金与涂层的结合力，使得涂层沉积不均匀化。张克栋[研究并得到了针对硬质合金沉积TiAIN涂层表面预处理的最佳微织构和纳织构激光加工工艺参数，研究了硬质合金织构对涂层的微观结构、厚度、硬度、弹性模量、物相组成及结合强度等性能参数的影响，发现硬质合金表面织构化通过增强表面附着性、消散涂层内应力等途径达到提高涂层与硬质合金结合强度的目的。硬质合金中作为粘结相的Co会促进碳的溶解与扩散，影响金刚石的形核和长大，不利于硬质合金与金刚石涂层的结合，李成明等[]应用准分子激光对YG6硬质合金表层的Co元素进行了选择性去除后，通过CVD方式进行了金刚石涂层的沉积。试验发现激光辐照可使硬质合金表面粗糙化，有利于金刚石颗粒的形核长大，产生了对金刚石涂层的“锚链效应”，因而增强了硬质合金与金刚石涂层之间的结合力。Neres5应用Nd:YAG激光对硬质合金进行表层处理，然后采用PVD镀敷TiAIN涂层。通过对比发现激光辐照得到的纹理不会改变磨损机制，表面纹理化使得粗糙度提高，增加了涂层在硬质合金基底上的黏附性。激光辐照使得硬质合金表面产生的wC.取代了wC，wG-，与TAIN具有相似的晶体结构，有利于提高涂覆层的结合强度。

　　激光技术也可以作为熔覆涂层的加工手段。激光熔覆技术[51是利用高能量激光束辐照添加在工件表面的熔覆涂层材料，使其熔化并凝固于工件表层形成治金结合的表面改性技术。相较于化学镀、PVD.CVD等涂层沉积手段，激光熔覆沉积热影响区小，工件变形小[2，多用于工件发生磨损、腐蚀处的局部修复和再制造5，以恢复或增强工件的硬度、耐蚀等性能，无需考虑施镀过程中的污染问题，加工环境也相对简单。激光熔覆对涂层材料的稀释率较低(可以控制在5%以内)，可形成较薄的熔覆层[5，熔覆层与基体呈现治金结合，结合强度高。刘洪喜等[5利用激光熔覆增材制造技术，以C050粉末为粘结相，wC颗粒与质量分数1%的 Al 粉( 粒度均为 100 μm) 为熔覆材料，在 YG8 硬质合金刀具表面进行了 Co50 /Al 涂层的制备。切削试验发现，涂层处理后刀具的摩擦系数和表面粗糙度明显降低。Kwon 等[56]在硬质合金刀具表面涂覆了具有Co 中间层的 TiN 涂层。试验发现 Co 中间层使得涂层刀具的寿命提高了 36%以上。Karatas 等[57]在氮气环境下对硬质合金进行激光熔覆，熔覆材料为 Co 和 TaC，涂层厚度 60～80 μm，表面硬度可达 15～ 18 GPa。研究发现，在快速加热和表面的高冷却速率条件下，Co 和 Ta 的先行蒸发使得表层出现多方向的裂纹甚至气孔，裂纹延伸到基体材料中，如图 3。研究发现[58]，在激光熔覆过程中，金刚石存在分解、烧蚀、相变等问题，金刚石颗粒出现较为严重的石墨化，通常不作为制备金刚石涂层的手段。

　　综上研究可知，激光加工可应用于硬质合金刀具耐磨涂层涂覆前的预处理阶段，通过对硬质合金基体进行表面处理，以提高涂层的附着力;尤其针对金刚石涂层的沉积，是解决涂层与基体间结合强度低、涂层易剥落的问题的可行性手段。

　　5总结与展望

　　当前针对硬质合金激光表面处理的研究多集中于理想的实验室因素下，相关的具体工程应用情况研究较少，所得结果多是试验数据，缺少实际的工程应用数据，仍有很大的研究空间。开展盾构刀具硬质合金激光表面处理的工程应用研究，对解决盾构掘进工程中出现的盾构刀具过早失效难题，降低工程损耗成本，保障整体工程的稳定进展具有重要的工程意义。盾构刀具硬质合金块尺寸较小，便于发挥激光加工灵活性、快捷性的优点。对于已出现严重磨损的装机盾构刀具，可尝试开展激光涂覆应用研究，以恢复表面硬度，提高盾构刀具利用率，减少因更换刀具带来的经济损失。

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文章名称： 盾构刀具硬质合金激光表面处理研究现状

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