盾构机滚刀是掘进过程中的主要切削部件,其工作环境恶劣,受力条件复杂,使用寿命较短,经常更换滚刀将影响施工效率,增加掘进成本。滚刀工作过程中,主要依靠刀圈对岩石的挤压和摩擦进行破岩,因此,刀圈需要具备较高的硬度和耐磨性。针对刀圈在掘进过程中易磨损、消耗量大的问题,本文以盾构机滚刀刀圈材料H13钢为研究对象,通过激光熔覆的方法在H13钢基体表面制备梯度熔覆层,以提高基体材料的硬度及耐磨损性能。本文选用镍基和钴基合金粉末为熔覆材料,并向合金粉末中添加TiC、WC陶瓷颗粒,通过控制陶瓷颗粒在复合粉末中的含量,多层叠加激光熔覆制备了TiC颗粒增强Ni基合金梯度熔覆层、WC颗粒增强Ni基合金梯度熔覆层、TiC颗粒增强Co基合金梯度熔覆层、WC颗粒增强Co基合金梯度熔覆层,并通过相应的检测方法及设备对四种梯度熔覆层的残余应力分布、组织结构、显微硬度分布、耐摩擦磨损性能、抗冲击性能进行了测试分析,研究结果如下所示。采用有限元分析软件ABAQUS对涂层与基体间的残余热应力进行仿真模拟,得到不同梯度熔覆层残余应力的大小与分布情况:残余应力主要集中在涂层与基体的结合位置,且应力的数值由中心向边缘、由基体向涂层表面呈现递减的趋势;TiC或WC的含量越高,残余应力最大值越小,陶瓷颗粒良好的热稳定性和较低的热膨胀系数能显著降低复合涂层与基体热膨胀系数的差异;Co基梯度熔覆层的残余应力分布更为均匀,并且残余应力值要明显低于Ni基梯度熔覆层。梯度熔覆层与基体之间均实现了良好的冶金结合,梯度熔覆层横截面的微观组织由底部至顶层呈梯度分布,结合面上为规则的平面晶,熔覆层底部为粗大的柱状晶和胞状晶,随着过冷度的增大,组织逐渐细化,向细小的树枝晶过渡,整个熔覆层组织由下而上呈现出由粗大松散到细小致密的变化趋势。H13钢表面梯度熔覆层的制备,不但提高了基体的表面硬度,而且从熔覆层表面至基体显微硬度呈现平缓的梯度下降,熔覆层中的陶瓷颗粒具有固溶强化、细晶强化及弥散强化的作用。各种熔覆层的显微硬度从高到低依次是:WC增强Ni基梯度熔覆层,WC增强Co基梯度熔覆层、TiC增强Ni基梯度熔覆层、TiC增强Co基梯度熔覆层。在基体和不同梯度熔覆层的表面进行摩擦磨损试验,试验结果表明:梯度熔覆层熔覆试样的磨损失重远低于基体材料,熔覆层的磨损失重随硬质颗粒含量的增加呈先降低后升高的趋势,并且Ni基梯度熔覆层的耐磨性能更佳。对表面磨损形貌观察发现,H13钢基体表面有明显划痕,磨损机制主要为黏着磨损和磨粒磨损,Ni基和Co基熔覆层表面有大量剥落坑,磨损机理主要为脆性剥落。将基体和熔覆试样切割成标准冲击件进行冲击试验,测试结果表明,Ni基和Co基熔覆层的抗冲击性能明显低于基体,H13钢的断口形貌为韧性断裂,熔覆层的断口形貌为脆性断裂。