（材料学专业论文）地铁盾构刀具等离子体材料表面改性研究及应用.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 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t a ( c ) n 三元薄膜，对t a ( 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： t a ( c ) n 三元薄膜硬度高达1 4 g p a ，杨氏模量高达2 5 0 g p a ，薄膜和基底之| 1 b j 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4 5 # f 1 目基体表面制备_ f ( c r , f e ) 7 c 3 一一f e 时 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8 2 0h v ，与基体相 比，涂层的相对耐磨性提高约3 5 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了t a ( 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 ( c r , f e ) t c 3 丫一f e 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。 关键词：脉冲高能量密度等离子体；等离子熔敷；复合材料涂层；显微组织；耐 磨性；耐蚀性 分类号：t b 4 3 ；t g l 7 4 4 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hh i g he l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，h i g hp o w e rd e n s i t y , h i g he n e r g yd e n s i t y , a n d c o m p l e t i n gh i g hs p e e dq u e n c h i n g , s p u t t e r i n ga n di o ni m p l a n t a t i o ni no n es t e p ，t h e p u l s e dh i g he n e r g yd e n s i t yp l a s m a ( p h e d p ) t e c h n i q u ec a ng r e a t l yi m p r o v et h es u r f a c e h a r d n e s s ，w e a l a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h es u b s t r a t e o w i n gt oh i g he n e r g y u t i l i z a t i o nr a t i o ，h i g hp r o d u c t i v i t y , r e l a t i v e l yl o wu s e 一- e n s t , t h ep l a s m ac l a d d i n g t e c h n i q u eh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ec o a t i n gp r o d u c e db yp l a s m a c l a d d i n gt e c h n i q u eh a sf i n ea n dh o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r et y p i c a lr a p i ds o l i d i f i c a t i o n f e a t u r e t h ep l a s m ac l a dc o a t i n gi su s u a l l ym e t a l l u r g i c a l l yb o n d e dt ot h es u b s t r a t e ， w h i c hm a k et h ec o a t i n gc a nb e a rs e v e r ei m p a c tl o a d t h eu n d e r g r o u n ds t r a t u ml a y e ro fb e i j i n gd i s t r i c ti sm a i n l yc o m p o s e do fs o f ts o i l a n dg r a v e l s t h es h i e l dc u t t e rs u b j e c t e dt os e v e rw e a r t h es e r v i c el i f eo ft h es h i e l d c u t t e ri sr e l a t i v e l ys h o r td u r i n gw o r kp r o c e s s f a c i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，i nt h i sp a p e r , t h e p h e d pa n dp l a s m ac l a d d i n gt e c h n i q u e sa r eu t i l i z e dt op r o d u c ep r o t e c t i v ef i l mo nt h e s u r f a c eo f t h es h i e l dc u t t e rt oi m p r o v et h ew e a l a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dp r o l o n gt h e s e r v i c el i f eo f t h ec u t t e r t a ( c ) nt e r n a r yf i l mw a sd e p o s i t e db yp h e d po ns t a i n l e s ss t e e l t h ef i l m s m i c r o s t r u c t u r e ，s u r f a c et o p o g r a p h y , n a n o m e t e rh a r d n e s s ，a n dd i s t r i b u t i o no fe l e m e n t a l o n gd e p t hw e r ea n a l y z e d ，a n dt r i b o l o g yb e h a v i o r sw e r ea l s ot e s t e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h et a ( c ) nf i l mh a dah i g hh a r d n e s s ( 1 4 g p a ) a n dh i g hm o d u l u s ( 2 5 0 g p a ) ； b e t w e e nt h ef i l ma n ds u b s t r a t e ，t h e r ew a saw i d et r a n s i t i o nl a y e r , w h i c hm a d et h ef i l ma f i r mc o m b i n a t i o nw i t ht h es u b s t r a t e ；t h et a ( c ) nf i l mh a da ne x c e l l e n tt r i b o l o l 西c a l p r o p e r t i e su n d e rd r ys l i d i n gf r i c t i o nt e s ta tr o o mt e m p e r a t u r e aw e a rr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ( c r , f e ) 7 c 3 y - f ec o m p o s i t ec o a t i n gw a s f a b r i c a t e do ns u r f a c eo f0 4 5 cc a r b o ns t e e lb yp l a s m ac l a d d i n g t h em i e r o s t r u c t u r e o ft h ec o a t i n gw a sa n a l y z e d ，a n dt h em i c r o h a r d n e s s ，t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c ep r o p e r t i e sw e r ea l s ot e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g e m i c r o h a r d n e s so ft h e ( c r , f e ) 7 c 3 7 - f ec o m p o s i t ec o a t i n gw a s8 2 0 h v ；t h er e l a t i v ew e a l r e s i s t a n c ew a s3 5t i m e sh i g h e rc o m p a r e dt o0 4 5 cc a r b o ns t e e l ；t h ec o a t i n gh a da n e x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt oo p t i m i z e dp a r a m e t e r s ，t h et a ( c ) nt e r n a r yf i l mw a sd e p o s i t e do nt h e c a r b i d eb i to fs h i e l dc u t t e rb yp h e d ea c c o r d i n gt oo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa n dt h e 北京交通人学硕士学位论文 p o w d e r sr a t i o w e a rr e s i s t a n ta n dc o r r o s i o nr e s i s t a n t ( c r , f e ) t c 3 丫一f ec o m p o s i t ec o a t i n g w e f ef a b r i c a t e do nt h et o w a r d ss o i ls u r f a c eo f t h ec u t t e rb o d y b yp l a s m ac l a d d i n g a f t e r t h et w ok i n d so fp l a s m as u r f a c em o d i f i c a t i o nt r e a t e dt h es h i e l dc u t t e r sw e r et e s t e do n f a b r i c a t i n gy a r do f b e i j i n gs u b w a yn o 1 0l i n e ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec u r e r sw e a r r e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew e r eg r e a t l yi m p r o v e d ，a n ds e r v i c ec y c l ew a s e x t e n d e do b v i o u s l y k e y w o r d s ：p h e d p ；p l a 锄ac l a d d i n g ；c o m p o s i t ec o a t i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；w e a r r e s i s t a n c e ；c o r r o s i o nr e s i s t a n c e c l a s s n 0 ：t b 4 3 ；t g l 7 4 ，4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝作者躲蕴惫率 签字吼叩年蝴日 导师签名：洲- t u 禺 签字日期：弘哆年2 月g 同 北京交通人学硕十学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字同期：年月日 5 8 致谢 本论文的工作是在刘元富副教授和中国科学院物理研究所杨思泽研究员两位 导师的悉心指导下完成的，两位导师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极 大的帮助和影响。在两年多的学习和工作生活中，给了我悉心的指导和严格的要 求，使我不仅学到了宝贵的科学文化知识，更重要的是我懂得了从事科学研究的 作风和由此而产生的兴趣。他们的刻苦勤劳的工作精神、严谨求实的治学态度、 开阔敏锐的思维使我终生受益。两位导师对我倾注了大量的心血和宝贵时问，使 得论文工作得以顺利的完成。衷心感谢两年多以来两位导师对我的关心和指导。 韩建民教授两年多来，在学习上和生活上给予了我很大的关心和帮助，在此 向韩建民教授表示衷心的感谢。 本文的部分实验得到了李卫京高工和陈怀君师傅的热情帮助，在此表示衷心 感谢。 特别感谢在与中科院物理所联合培养期l 日j 冯文然师兄给我的巨大帮助。 在实验室工作及撰写论文期j 日j ，吕国华师姐、牛二武师兄、顾伟超师兄、李 立师姐对我论文中的实验工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 本论文的研究工作得到北京市科技计划项目( y 0 6 0 4 0 0 2 0 4 0 7 3 1 ) 的资助，在此特 别表示感谢。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通人学硕十学位论文 序 序 在地层中进行盾构施工，一旦出现盾构刀具早期破坏或在正常磨耗情况下使 用寿命达不到预定的掘进距离( 如一个施工区间段) ，这是施工很难处理的问题。 如果隧道上方是开阔无建筑的地带，一般可以采用开挖检修竖井的办法进行刀具 修复或更换。而在地表建筑密集的地带，则只能采用从盾构机内部通道进入开挖 面的办法进行更换或修复刀具。施工过程中的刀具修复和更换有较大的安全风险， 如处理不当就可能危及整个工程，盾构刀具的使用寿命直接影响施工进度及施工 成本。 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，制各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。 针对北京的地层主要是以软土及沙卵石为主，尤其是在沙卵石地层中盾构刀 具磨损严重，使用寿命偏低这一现实情况，本文采用脉冲高能量密度等离子体薄 膜沉积技术以及等离子熔敷复合材料涂层技术分别对盾构刀具的刀刃及刀体易磨 损面进行表面强化处理，并在地铁隧道旋工现场进行实际应用，取得了良好的效 果。 本文是由北京市科技计划项目( y 0 6 0 4 0 0 2 0 4 0 7 3 1 ) ：脉冲高能量密度等离子体 制备新型高耐磨高结合强度盾构机刀具涂层关键技术及应用研究资助。 北京交通人学硕士学位论文引言 1 引言 在地层中进行盾构旖工，一旦出现盾构刀具早期破坏或在正常磨耗情况下使 用寿命达不到预定的掘进距离( 如一个施工区间段) ，这是施工很难处理的问题。 如果隧道上方为丌阔无建筑的地带，一般可以采用开挖检修竖井的办法进行刀具 修复或更换。而在城市建筑密集的地带，则只能采用从盾构机内部通道进入开挖 面的办法进行更换或修复刀具。施工过程中的刀具修复和更换有较大的安全风险， 如处理不当就可能危及整个工程。这是在北京砂砾地质条件下进行地铁盾构施工 面临的一个大问题。因此，开发质量优、可靠性强、使用寿命长的盾构刀具技术 对工程来说是至关重要的。 盾构刀具长期工作在磨损、冲击以及一定程度腐蚀的恶劣环境中，特别是在 含砂石较多的地段施工时，刀具的磨损更为严重，使用寿命严重降低，而刀具使 用寿命直接影响到盾构施工效率和施工成本，因此，如何采用新技术用以提高盾 构刀具抗磨损、抗冲击、耐腐蚀的性能，降低生产成本，已成为我国盾构施工行 业目前亟待解决的关键问题之一。 盾构刀具刀刃均为烧结硬质合会，硬度高，耐磨性好，但冲击韧性较差，因 此在保证刀刃硬度的基础上提高刀刃的韧性，是提高刀具使用寿命的一个重要方 面。盾构刀刀体材料一般选择中低碳钢，强度高，韧性好，但硬度较低，耐磨性 较差，由于刀刃钎焊在刀体之上，刀体的过度磨损，将导致刀刃脱落，因此，大 幅度提高刀体易磨损部位的耐磨性，是提高刀具使用寿命的另一个重要方面。 由于零部件的磨损和腐蚀均始于表面，逐渐向内部扩展，因此，采用合适的 表面工程手段，对刀刃及刀体进行表面改性处理，提高刀刃的冲击韧性，刀体的 耐磨性和耐腐蚀性，无疑是一种最经济、最有效的方法。 脉冲高能量密度等离子体沉积薄膜技术具有束流强、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，可在金属、陶瓷以及半导体等不同基 体上快速高效地制备t i n ，t i ( c ，n ) ，a i n ，b n ，w c 等与基体结合牢固的高性能改性 层。本文在大量前期试验的基础上，采用优化后的工艺参数，利用脉冲高能量密 度等离子体沉积薄膜技术对地铁隧道施工用盾构刀具刀刃进行表面改性处理，显 著提高了硬质合金刀刃的抗冲击性能，现场试验取得了较为理想的结果。 等离子熔敷与电子束熔敷、激光熔敷相比较，具有设备投资小，使用成本低， 能量转换效率高，生产效率高，操作维修方便等优点，特别适合工业化生产规模 的抗磨损、抗冲击、抗腐蚀、抗氧化涂层以及其它高性能涂层的制备，因此，近 年来受到广泛关注。本文采用自行研制的等离子熔敷复合材料涂层设备和自行开 北京交通又学硕士学位论文引言 发的特种合会粉末配方，对地铁隧道施工用盾构刀具刀体易磨损部位刀体迎土面 进行表面强化处理，解决了盾构刀具易磨损面硬度低，耐磨性差的缺陷，显著提 高了盾构刀具的使用寿命，得到了地铁隧道施工单位的充分认可。 2 北京交通人学硕士学位论文 绪论 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 1 8 2 5 年英国人布鲁洛( m i b r u n d ) 在蛀虫钻孔的启示下，最早提出了盾构法 建设隧道的方法，并于1 8 2 5 年在穿越泰晤士河的隧道中第一次使用了盾构技术。 1 8 3 0 年l o r dc o e h r a n c e 发明了施加压缩空气的“压气法”以解决盾构穿越饱和含 水地层时防止涌水的问题。1 0 年后，g r e a t h e a d 首创了在盾尾空隙中注浆以控制地 基变形的壁后注浆方法，进一步推动了盾构法隧道在城市建设中的应用。2 0 世纪 6 0 一7 0 年代，继法国研制了泥水加压式盾构后，同本也研究开发了土压平衡式盾构， 这种闭胸式头部、刀盘机械丌挖的技术结合管片衬砌、壁后注浆及防水技术成为 近3 0 年盾构技术的主流】。 我国上世纪5 0 年代初首次在东北阜新煤矿采用盾构法修建了直径2 6 米的输 水巷道，1 9 6 6 年在上海采用网格式挤压盾构修建了直径达1 0 米的打浦路越江隧道， 8 0 年代初期上海丌始使用土压平衡式盾构进行地铁隧道的修建，8 0 年代术期我国 丌始使用泥水加压式后构，并在1 9 9 4 年成功地进行了上海延安东路南线越汀隧道 工程。至今有多项重点隧道工程均采用了盾构法施工，如广州地铁二号线海珠广 场站至市二官站区间，采用了用泥水盾构改造的复合式盾构施工。南京地铁一号 线钓鱼台盾构工作井至三山街站南端头井区j 日j 采用日本三菱公司生产的土压平衡 铰接式盾构机施工。南水北调中线工程穿黄工程以及西气东输工程通过长江均采 用泥水加压式盾构施工。 我国从9 0 年代以来，已成功地研制了直径3 8 6 3 4 m 的土压平衡盾构掘进机 l o 余台，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程，相关技术已接近国际先进 水平，在隧道导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进水平。但由于我 国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距，在一些盾构掘进机 中适量采用了国外的零部件。在直径1 2 - 3 m 的顶管掘进机方面，我国已经先后研 制了先进的反铲顶管机、土压平衡顶管机和泥水加压顶管机，国内己完全有能力 制造国产机械，替代进口设备。最近，上海已研制了国内第一台3 8 m x 3 8 m 组合 刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成了2 条6 2 m 长的地下人行通道的施工任务，使 我国在异形盾构的开发研究方面跻身于世界先进行列【2 翔。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 图2 i 北京市区轨道交通线网近期建设方案 f i 9 2 1t h ep r o j e c to f t h eb e i j i n gd o w n t o w no r b i tt r a n s p o r t a t i o nl i n ei nt h en e a rf u t u r e 近年来，继北京、上海、广州、天津等城市大规模修建地铁之后，我困其它 大中城市如深圳、南京等地也丌始了地铁工程建设。在这些地下工程中，由于受 到施工场地、道路交通、市政建设等城市环境因素的限制，使得传统的旌工方法 难以普遍适用。在这种情况下，采用具有施工进度较快，建设质量好，费用较低， 对城市的正常功能及周围环境影响小等优点的盾构法修建地铁隧道，对城市j 下常 机能影响较小的隧道施工方法盾构施工法得到了较为广泛的使用。广州地铁2 号 线、上海地铁3 号线、北京地铁5 号线均采用盾构法施工【2 3 】。 到2 0 1 5 年北京将拥有里程5 6 1 公里的地铁线路，超过伦敦的4 0 8 公里。而未 来十年整个中国的地铁里程将达到1 7 0 0 公里。面对2 l 世纪我国城市地下空间开 发利用的广阔市场，而采用盾构掘进机施工将是必然的选择。 2 1 2盾构施工技术基本原理 盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾型钢壳。 “构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。盾构施工技术是指使用盾构机， 4 北京交通人学硕十学位论文 绪论 一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾构机 内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方 法【l 。 图2 2 十压平衡盾构机主体示意幽 f i 9 2 2m a i nb o d ys k e t c hm a po f t h ee a r t hp r e s s u r es h i e l dm a c h i n e 图2 3 日产盾构机全貌 f i 9 2 3t h ep h o t o g r a p ho f t h es h i e l dm a c h i n em a d ei nj a p a n 图2 2 所示为土压平衡盾构机主体示意卧n 。图2 3 为日本产的盾构机全貌。 其中刀盘是盾构机的关键部件之一，是盾构主要工作部件。盾构在地下开挖中会 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。在开挖中刀盘受力复 杂，工作环境恶劣，是需要重点检查和维修的部位。刀盘的结构既要考虑刀盘开 挖性能又要考虑渣土的流动性及掌子面的稳定性。盾构刀盘丌挖性能主要通过刀 具的选择和布置来保证；渣土的流动性则需要合理布置渣槽及结构形状，配置渣 土改良材料的注入口及刀盘背面搅拌臂；掌子面的稳定性通过刀盘开口度来控制。 因此盾构刀盘需要充分考虑隧道掘进地层地质情况，进行针对性的设计，合理选 择刀具，保证刀盘结构的强度和刚度【4 ，5 】。 2 1 3盾构刀具的失效分析 图2 4 德国产盾构刀具 f i 9 2 4t h ep h o t o g r a p ho f s h i e l dm a c h i n ec u r e rm a d ei ng e r m a n y 盾构刀盘的转速为0 3 r m i n ，通常为1 5 r m i n ，刀盘最外边刀具切削线速度最 大可达l m s ，平均为o 5 m s 。在砂卵石、砾石地层掘进施工过程中，靠近刀盘外 侧的刀具刃部要承受较大的冲击力，周边刀具的磨损形式主要是冲击磨损和磨粒 磨损，这两种磨损形式是导致刀刃部分磨损的主要原因。由于硬质合金的硬度高 而抗冲击韧性差，当安装于刀盘外缘的周边刀及齿刀以较高的速度切削土体时与 地层中的石块发生碰撞，撞击结果使焊接在刀体刃部的硬质合金刀刃发生脱落或 断裂，刀体上失去了高硬度( h r a 8 8 左右) 硬质合金层后，硬度较低( h r c 4 0 左右) 的刀具本体很快就会被磨损掉m 。 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 矗 图2 5 刀具切削机理示意图 f i 9 2 5t h ew o r kp r i n c i p l es k e t c hm a po f t h es h i e l dm a c h i n ec u t t e r 另一方面，刀具的刀体部分由于长期承受的土层的磨损( 图2 5 图所示) ，加 之潮湿土层的长期腐蚀作用，刀体部分磨损及锈蚀十分严重。刀体磨损严重，使 硬质合会的刀刃失去载体而脱落，从而导致刀具寿命较低，刀具消耗量过大，生 产成本较高。因此应采用刀具刀刃部分具有较高的抗冲击韧性和良好的耐磨性， 刀具易磨损面具有很高的耐磨损和耐腐蚀性能，才能够满足刀具抗冲击性好和时 磨性高的工作要求【4 ) j 。 2 1 4国内盾构刀具面临的问题 国内地下工程项目招标标段划分比较短，特别是城市地铁工程，大多是一个 区j 日j 一个杯段，如果一个区间为1 2 k m ，则一个标段的推进长度是2 4 k m ，这样盾 构机要完成3 个左右的项目才能达到报废产量。盾构刀具是盾构施工的主要消耗 材料，在一般砂砾地层中施工，刀具虽然磨损严重，但基本可满足地铁隧道车站 区间8 0 0 1 0 0 0 m 的掘进需要。而在砾石含量超过3 0 0 , 4 ，砾石粒径大于1 0 0 - - 1 5 0 m m 的地层，则可能大大加快刀具的磨损和破坏，需要补充大量的新刀具。盾构施工 在开仓修复、更换刀具时，不仅耗资、耗时巨大，而且容易造成地表塌陷等事故， 因此必须尽量延长刀具寿命，减少开仓次数【- 6 。 以北京地区为例，北京的地层主要是以软土及沙卵石地层为主，如图2 6 所示。 地层中石英含量高达4 5 以上，石英沙是“很好”的磨料，使刀具磨损速度加快。 如北京地铁五号线盾构试验段雍和宫站至张自忠站左线1 5 1 0 m 为砂卵石及粘土混 合地层，掘进过程中就更换了5 批刀具，而每更换一次刀具就要花费2 0 3 0 万元。 随着北京地区地铁建设的全面展开，刀具作为盾构机的主要损耗件之一，全部依 赖进口，不但造价昂贵，而且运输耗时、耗资，对地铁施工的进程造成了很大的 影响。资料显示，2 0 0 5 年我国进口刀具购置费高达2 8 亿美元，市场对高性能涂 7 北京交通大学硕士学位论文 层刀具的需求巨大f 4 1 。 幽2 6 沙卵i i 地层渣土典型照片 f i 9 2 6t y p i c a lm o d e lp h o t o g r a p ho f t h er e s i d u es o i l 2 2 等离子体的定义及特征 等离子体是由大量币负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一 种准中性非凝聚系统。它是物质存在的基本形态之一，是物质固、液、气三态以 外的第四种物质状态，这个术语足根据下述观点提出的：固体加热时经相变成为 新态，通常就是液体：如果加热液体则经相变成为气体：在气体中加入更多的能 量，就可以使一些原子电离，在高于1 0 0 0 0 0 k 的温度下大部分物质处于电离状态， 物质的这种电离状态称为第四态一等离子态【7 】。“等离子体”( p l 勰m a ) 一词则是1 9 2 9 年汤克颠( t o m s a n ) 和朗格谬( l a n g m u i r ) 在研究气体放电中的振荡时，首次用 来描述带电粒子集合体的一个名词【s 】。其主要特征是：粒子间存在长程库仑相互作 用，等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应和集体 运动模式。 等离子体的应用技术因其特点而异。高温等离子体技术利用等离子体的物理 特性；而低温等离子体技术则利用其中的高能电子( 0 , - , 2 0 e v ) 参与形成的物理、 化学反应过程。通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体及高温等离子体难 以解决的问题。由于高温等离子体的电子温度和气体( 离子) 温度达到平衡，不 仅电子温度高，重粒子温度也高，在此温度下，难以实现材料表面改性的目的， 甚至会损坏基体材料，故在金属材料的表面改性中，主要应用低温等离子体技术【9 】。 等离子体作为一种质量和能量的有效载体，可以用来合成、沉积各类化合物材料 薄膜。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 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 图2 7 脉冲高能封密度筲离子体装置示意图 f i 9 2 7t h es c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ep h e d ps e t - u p 脉冲高能量密度等离子体( p u l s e dh i g he n e r g yd e n s i t yp l a s m a ，p h e d p ) 沉积 薄膜技术的产生装置是按照同轴等离子体加速器的概念来设计的，其结构如图2 7 所示。它主要由快速充气电磁阀、同轴等离子体枪【l o 】、真空室、充放电回路等部 分组成的。等离子体枪由同轴的内电极和外电极组成，系统的真空度可选用范围 为lp p l 1 酽p a ；快速充气电磁阀的工作电压( 电压通过增减1 8 5 心的电容器来 实现) 为l - 5 k v ，般选用1 5 k v ，其功能主要用于瞬间开启，充入气体，然后迅 速关闭；同轴枪外电极接地，内电极接l 5 k v 的电容器的负极。 其工作原理可简述为：先将能量储存于电容器内，然后装置首先在内外电极 间通过电容器加个高压，当工作气体在脉冲电磁阀控制下快速从同轴枪底端充 入时，被高压击穿电离，产生一个很大的脉冲电流，使气体电离形成等离子体， 同时巨大的脉冲电流会对内外电极材料造成侵蚀作用，使内、外电极材料表面蒸 发，溅射形成电极材料组成的等离子体。因此等离子体是由工作气体和内、外电 极材料等离子体组成的。由放电电流本身产生的洛仑兹力( l o r e n t zf o r c e ) 将所产 生的等离子体加速向同轴枪出口处推进，同时电极材料不断地被溅射出来形成等 离子体，在到达电极出口处的瞬间，等离子体团自动收缩，称作“致密等离子体 9 北京交通大学硕士学位论文绪论 聚焦”【l 。在等离子体运动过程中，工作气体产生的等离子体由于与内外电极不 断碰撞而不断减少，而电极溅射产生的等离子体则不断增加。等离子体中最终的 成分比例将主要依赖于电极间的电压降。在有些情况下，气体还作为反应物，与 电极材料发生化学反应，合成所需薄膜材料，沉积到基体表面。 p h e d p 轰击基体材料时，伴随着一系列复杂的物理化学过程：首先，由于能 量和动量的转移，将在极短时间内引发基体局部温度迅速升高，然后温度又快速 降低，形成明显的淬火效应，自淬火率可达1 0 7 1 0 1 0 k s ；第二，等离子体的撞击 将使基底表面局部形成高的压应力状态；第三，非弹性碰撞将使基体材料溅射而 产生反应性化学元素，与等离子体中的离子反应形成新的化合物；第四，脉冲等 离子体可引起离子注入效应；第五，可在沉积薄膜与基底之问形成宽的过渡层。 该方法的特点是，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，有助于在远离平衡态的条件下形成非晶态、高亚稳态和 超细晶粒薄膜。p h e d p 与材料表面作用，能够在薄膜生长的同时使膜与基底混和， 使膜与基底之间具有极高的结合强度；容易合成各种非平衡相，容易合成各种化 合物钼；可不同程度的提高试样表面硬度、耐磨性、摩擦性能以及抗腐蚀性；此 外，p h e d p 表面处理和薄膜沉积效率高，依据涂层设计需要，可在不同基体上制 备出不同厚度的涂层。工作过程中，要在数个大气压下对真空室瞬间充气，因此 对真空的要求很低，气体利用率高( 脉冲进气1 0 0 9 s 脉宽) ，能源利用效率高【1 2 】。 2 3 2 目前常用硬质耐磨薄膜沉积技术比较 薄膜应用十分广泛，无论是结构保护膜还是功能涂层。实践证明，许多薄膜 和涂层用于磨损系统可以大大改善切削刀具、模具性能，提高使用寿命。薄膜沉 积技术很多，到目前为止，最常用的制备硬质耐磨涂层的方法有物理气相沉积 ( p v d ) 和化学气相沉积( c v d ) 。这两项技术互有优缺点，一般都能沉积3 - 1 5 u r n 的薄膜。c v d 法主要用在硬质合金上沉积薄膜，需要在高温( 7 0 0 - - 1 0 0 0 ) 下进 行，为了降低沉积温度，必须使用特殊的前驱体；其缺点是：能耗高、环境污染 严重，且受热力学因素限制，不能沉积复杂亚稳定( 多元) 薄膜。与c v d 法相比 较，p v d 法对环境友好，适合沉积三元和多元亚稳定薄膜，该法的沉积温度低 ( 1 8 0 - - - 5 0 0 ) ，可以在不影响基体材料性能的条件下对其进行镀膜。p v d 法存在 的问题是：沉积速率低，薄膜与基体结合力不够理想，对不导电基体不能使用等 【1 2 t 4 1 。 i o 北京交通大学硕十学位论文 2 3 3脉冲高能量密度等离子体薄膜沉积技术应用概述 p h e d p 作用在材料表面可以引起表面层的快速熔化和快速凝固，加热及冷却 速度可达1 0 m k s 【1 5 1 。等离子束能作用在表面层几微米之内，表面层可在极短时间 内加热到上千摄氏度，发生快速熔化及凝固。如此高的冷却速度足以 ：导到非晶及 纳米晶薄膜，因此，可以改变包括陶瓷、高分子及金属材料在内的多种材料的物 理及化学性能。 下面介绍几种典型的应用p h e d p 薄膜沉积技术对材料表面进行改性的研究。 ( 1 ) 陶瓷表面会属化 陶瓷表面会属化在超大规模集成电路( u l s i ) 及其它工业领域具有重要的作 用。通常，氧化铝和铝分别用作集成电路的基底和会属材料，但是在超微器件应 用方面，由于铝的电阻率较高，难以克服其电子流动性差的问题，因此，通常用 铜代替铝作为会属材料。目前的铜薄膜主要通过c v d 、p v d 及化学镀的方法沉积 得到，但是由于铜与氧化铝基底的润湿性很差，造成膜基结合不牢。而脉冲高能 量密度等离子体在处理材料时，等离子体能够与基底材料直接发生反应，这样， 制备薄膜及膜基混合可同步实现，能够有效提高膜基结合力【1 5 07 1 。 图2 8 未处理的氧化铝基底( a ) 和氧化铝表面铜薄膜( ”s e m 形貌 f i 9 2 ，8u n s e h l e da l u m i n ab a s e ( a ) 柚da l u m i n ag u r f a c cc o p p c r 蛐f i l m ( b ) s e mm i c r o g r a p h s 荣春等利用p h e d p 技术在氧化铝陶瓷基底上沉积了铜膜，同轴枪的内外电极 都用铜，工作气体选用缸气，内外电极之问电压介于6 0 0 1 0 0 0 v ，枪样距3 0 m m ， 每个样品处理6 0 次，所制备铜膜最大厚度约为5 “m 【1 8 】。 由图2 8 ( b ) 可以看出，铜膜由形状、尺寸、分布均匀的片状铜颗粒组成。铜膜 与氧化铝基底结合良好，抗氧化效果好，试样在空气中暴露三个月依然没有氧化 腐蚀的迹象。铜膜的表面电阻为4 d c m ，三个月后表面电阻变化很小，说明铜膜非 北京交通大学硕士学位论文 绪论 常稳定。样品俄歇深度谱分析结果表明，铜膜厚约5 0 0 r i m ，膜基没有明显的界面， c u 元素在a 1 2 0 3 基底中扩散了至少3 0 0 n m 深，形成梯度混合区，如此深的混合区足 以保证膜基之间良好的结合。 使用t i 电极在s i 3 n 4 基底上得到了类似的结果，处理过程中t i s i 3 n 4 发生化学反 应，在基底表面形成t i n 、i s s i 3 以及游离的s i 。同时，处理后s i 3 n 4 陶瓷能够导电， 且表面电阻随处理枪压的不同而改变【l9 】。 ( 2 ) 单晶硅表面会属化 会属硅化物在u l s i 领域应用十分广泛，t i s i 2 由于具有低电阻，热导率高，且 利用钛直接自组装硅化法制备较容易等优点，成为应用最为广泛的硅化物。t i s h 通常由t i 和s i 在5 5 0 - - - 6 5 0 c 之问反应形成电阻率较高的底心正交点阵( c 4 9 ) 结构， 然后在6 5 0 。c 退火就能得到电阻率较低的面心正交点阵( c 5 4 ) 结构【2 0 】。 幽2 9 重结晶s i 样品表面s e m 形貌 f i 9 2 9s e mm i c r o g r a p h so fs is a m p l es u r f a c e 冯文然等利用p h e d p 技术则能够通过单步处理得到c 5 4 结构的t i s h 。研究中 使用t i 内电极，工作气体为a r 气，枪压1 4 - - - 1 8 k v ，基底材料选单晶s i 。处理后 样品的x 射线衍射结果表明，t i 与s i 完全反应，在合适的枪压下( 1 6 k v ) ，检测到 了c s 4 结构的t i s i 2 相；枪压过高( 1 8 k v ) 时，t i s i 2 消失。同时，作者还研究了在 不同脉宽条件下的结果。发现在脉宽较长时，可以形成硅化物，且s i 表面会发生 重结晶现象；而在脉宽较短时，硅化物量减少，基底表面出现多晶s i 。图2 9 所示 为枪压1 9 k v ，经1 0 次脉冲放电处理的样品表面形貌( 脉宽2 9 i _ t s ) ，晶粒尺寸约为 4 0 - - 7 0 r i m ，且尺寸分布较均匀，形状较规则，是典型的纳米晶薄膜材料。 ( 3 ) 高分子材料表面金属化 高聚物表面金属化不仅可以提高高分子材料的表面硬度和耐磨性，而且可以 1 2 北京交通大学硕七学位论文 绪论 提高其抗腐蚀性和导电等性能。鲍春莉等利用p h e d p 技术轰击高密度聚乙烯 ( h d p e ) 薄膜表面，使之会属化。研究发现，不同脉冲次数的a l 等离子体轰击注入 高聚物表面，会引起h d p e 薄膜表面微结构的不同变化。随着等离子体轰击脉冲次 数的增加，薄膜表面结构经历了表面非晶化、沟槽结构直至近似网络结构的发展 过程，并g a l 等离子体轰击处理也可使h d p e 发生交联反应f 2 。 鲍春莉使用a u a l 及c u p b ( 内外) 电极研究了聚丙稀( p p ) 表面经p h e d p 轰击后 的微观结构和电学特性。经a l 离子在3 5 k v 枪压下轰击后，p p 表面镶嵌着很多粒径 在5 0 , - - 1 0 0 n m 的球形a l 颗粒，以及微米量级的孔洞，这些孔洞是由于在轰击时，金 属原子与p p 表面作用的瞬时温度远远高于其熔点所致；c u 或p b 离子轰击后，表面 的金属颗粒约为1 0 0 - - 2 0 0 n m 。通过观察样品的断口形貌，发现金属原子已经注入到 基底内部。在3 5 k v 枪压下轰击后，p p 样品的表面电阻分别为4 6 1 0 ”d c m ( a i a 1 电极) 和1 1 1 0 2 2 甜c n l ( c u p b 电极) ，较处理i j i 降低了3 6 个数量级【2 2 j 。 ( 4 ) 金属