本发明属于盾构机，具体涉及一种盾构主驱动密封跑道用激光熔覆耐磨涂层及制备方法。
背景技术：
1、在掘进的过程中，盾构机主驱动系统通过密封、跑道和油脂保护主轴承，以避免破岩过程中产生的岩碴等异物进入主轴承，导致主轴承损坏。如果主驱动频繁损坏，在洞内维修，需要花费大量时间和金钱，甚至有可能会耽误项目工期。主驱动密封跑道材料一般采用42crmo合金钢，综合力学性能较好，但因为硬度较低，一般采用感应淬火进行表面强化处理，从而提高跑道的硬度和耐磨性。即便如此还是会存在磨损失效的问题，在洞内修复会花费大量时间。
2、表面涂层可以通过在基体上覆盖一层耐磨材料提高基体的耐磨性和使用寿命，因此受到广泛关注。目前常用的表面涂层强化工艺中，电镀镀层薄、且结合力弱，堆焊表面质量差，且热影响区范围大，喷涂涂层薄。与之相比，激光熔覆技术具有以下特点：激光能量密度高，加热速度快，对基材的热影响区域小，引起的工件热变形小；冷却速度快，涂层晶粒细小，组织致密；涂层稀释率低，涂层与基体呈冶金结合，结合强度高；材料选择性广，金属材料、陶瓷材料及复合材料均可作为熔覆材料；易实现自动化，无环境污染等。因此，激光熔覆技术在航空航天、矿山机械、石油化工、汽车、船舶、电力、铁路等行业具有广阔的应用前景。
3、但是，在实际操作中，由于激光熔覆急热急冷的特性，容易导致熔覆层产生较大内应力而导致开裂。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种盾构主驱动密封跑道用激光熔覆耐磨涂层及制备方法，以提高跑道的耐磨性能和使用寿命。
2、为实现上述目的，本发明首先公开了一种盾构主驱动密封跑道用激光熔覆耐磨涂层，该激光熔覆耐磨粉末的成分按照质量占比分别包括0.20-0.40%的c、0.5-2.0%的稀土元素gd，0.5-3.0%的ni、2.3-6.0%的b、1.5-4.0%的si、5-12%的vc、5-17%的cr、余量为fe。
3、本发明还公开了上述盾构主驱动密封跑道用激光熔覆耐磨涂层的制备方法，包括如下步骤：
4、步骤一：对主驱动密封跑道进行预处理，表面磨抛之后用丙酮和无水乙醇清洗；
5、步骤二：对粉末材料进行超声清洗处理；
6、步骤三：制备熔覆粉末，将按照质量占比分别为0.20-0.40%的c、0.5-2.0%的稀土元素gd，0.5-3.0%的ni、2.3-6.0%的b、1.5-4.0%的si、5-12%的vc、5-17%的cr、余量为fe的粉末，混合均匀，放入球磨机研磨70-150min，得到激光熔覆粉末；然后放入干燥箱干燥；
7、步骤四：将主驱动密封跑道进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为200-300℃，保温时间为1-3h；
8、步骤五：进行激光熔覆，利用激光在主驱动密封跑道上将步骤三得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆；
9、步骤六：激光熔覆后对熔覆层进行打磨，要求粗糙度1.6μm以下；
10、步骤七：将激光熔覆后的主驱动跑道在热处理炉中进行保温以去除残余应力。
11、进一步的，步骤三得到的激光熔覆粉末中，vc粒径为50-85μm，其它粉末粒径为15-50μm。
12、进一步的，步骤三中的干燥温度为80-120℃，保温时间为50-120min。
13、进一步的，步骤五中的激光光斑直径为5-15mm，扫描速度为3-7mm/s。
14、进一步的，熔覆层单层厚度为0.6-1.5mm，保护气体为氩气。
15、进一步的，熔覆层为至少两层梯度涂层，与基体接触的第一层熔覆层粉末不含vc,其余层粉末vc含量为5-12%。
16、进一步的，步骤七中的保温温度为150-250℃，保温时间为2-3h，然后空冷至室温。
17、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18、与现有技术相比，本发明提供一种适合于盾构主驱动密封跑道的fe基激光熔覆粉末，成本低，还添加不同含量的vc颗粒，提高熔覆层的耐磨性和硬度；但过多添加vc等硬质颗粒，虽然提升硬度和耐磨性，但是容易造成熔覆层开裂。因此本发明在跑道基体上采用不同vc含量的梯度涂层，有助于减小熔覆过程中的温度梯度和应力梯度，避免了激光熔覆层的开裂。添加少量稀土元素gd，可以更好地与基体形成冶金结合，减少气孔，还能起到强化作用。
19、实施方式
20、为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
21、本发明提供了一种盾构主驱动密封跑道用激光熔覆耐磨涂层，该激光熔覆耐磨粉末的成分按照质量占比分别包括0.20-0.40%的c、0.5-2.0%的稀土元素gd，0.5-3.0%的ni、2.3-6.0%的b、1.5-4.0%的si、5-12%的vc、5-17%的cr、余量为fe。
22、其中，vc作为硬质相，可以显著增加熔覆层的硬度和耐磨性；c元素可以提高熔覆层的硬度和耐磨性；稀土元素，可以促进熔覆层更好地与基体形成冶金结合，减少气孔，还能起到强化作用；b、si主要起脱氧和结渣的作用，在激光熔覆过程中优先与合金粉末中的氧及材料表面的氧化物发生反应生成低熔点的硼硅酸盐从而保护其它元素，此外还可以提高耐磨性；ni元素可以提高熔覆层的抗开裂能力;cr提高钢的抗氧化性和热强性；fe作为粘结相，fe基合金涂层具有较好的耐磨性，成本比较低。
23、本发明的所述激光熔覆耐磨涂层其制备方法包括如下步骤：
24、步骤一：对主驱动密封跑道进行预处理，表面磨抛之后用丙酮和无水乙醇清洗；
25、步骤二：对粉末材料进行超声清洗处理；
26、步骤三：制备熔覆粉末，将按照质量占比分别为0.20-0.40%的c、0.5-2.0%的稀土元素gd，0.5-3.0%的ni、2.3-6.0%的b、1.5-4.0%的si、5-12%的vc、5-17%的cr、余量为fe的粉末，混合均匀，放入球磨机进行研磨，研磨时间70-150min，得到激光熔覆粉末，vc粒径为50-85μm，其它粉末粒径为15-50μm；
27、然后放入干燥箱干燥，温度为80-120℃，保温时间为50-120min。
28、步骤四：将主驱动密封跑道进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为200-300℃，保温时间为1-3h；
29、步骤五：进行激光熔覆，利用激光在主驱动密封跑道上将步骤三得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆；熔覆层为至少两层梯度涂层，与基体接触的第一层熔覆层粉末不含vc,其余层粉末vc含量为5-12%；激光光斑直径为5-15mm，扫描速度为3-7mm/s，熔覆层单层厚度为0.6-1.5mm，保护气体为氩气；实际应用中，2层涂层基本上满足跑道的深度要求，如果需要更深的熔覆层，需要3层及以上，可以采用不同含量的vc含量。第一层不含vc，又是fe基粉末，与跑道材料比较接近，热膨胀等比较接近，不易开裂。
30、步骤六：激光熔覆后对熔覆层进行打磨，要求粗糙度1.6μm以下；
31、步骤七：将激光熔覆后的主驱动跑道在热处理炉中进行保温以去除残余应力，保温温度为150-250℃，保温时间为2-3h，然后空冷至室温。
32、通过在基体上熔覆多层梯度涂层，减小了激光熔覆产生的残余应力，避免了熔覆后开裂。
33、实施例
34、一种激光熔覆耐磨涂层，其化学组成按照质量占比分别包括0.20%的c、2.0%的稀土元素gd，1.5%的ni、2.3%的b、1.5%的si、5%的vc、15%的cr、余量为fe。
35、本实施例的激光熔覆耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
36、步骤一：对主驱动密封跑道进行预处理，表面磨抛之后用丙酮和无水乙醇清洗；
37、步骤二：对粉末材料进行超声清洗处理；
38、步骤三：制备熔覆粉末，将按照质量占比分别为0.20%的c、2.0%的稀土元素gd，1.5%的ni、2.3%的b、1.5%的si、5%的vc、15%的cr、余量为fe的粉末，混合均匀，放入球磨机进行研磨，研磨时间100min，得到激光熔覆粉末，然后放入干燥箱干燥，温度为120℃，保温时间为50min；所述粉末中，vc粒径为50-85μm，其它粉末粒径为15-50μm。
39、步骤四：将主驱动密封跑道进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为200℃，保温时间为3h。
40、步骤五：进行激光熔覆，利用激光在主驱动密封跑道上将步骤三得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆。熔覆层为两层梯度涂层，与基体接触的第一层熔覆层粉末不含vc,第二层粉末vc含量为5%。激光光斑直径为5mm，扫描速度为7mm/s，熔覆层单层厚度为1.5mm，保护气体为氩气；
41、步骤六：激光熔覆后对熔覆层进行打磨，要求粗糙度1.6μm以下；
42、步骤七：将激光熔覆后的主驱动跑道在热处理炉中进行保温以去除残余应力，保温温度为150℃，保温时间为3h，然后空冷至室温。
43、实施例
44、一种激光熔覆耐磨涂层，所述耐磨涂层材料按照质量占比分别为0.40%的c、0.5%的稀土元素gd，0.5%的ni、6.0%的b、4.0%的si、8%的vc、5%的cr、余量为fe。
45、本发明所提供的激光熔覆耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
46、步骤一：对主驱动密封跑道进行预处理，表面磨抛之后用丙酮和无水乙醇清洗；
47、步骤二：对粉末材料进行超声清洗处理；
48、步骤三：制备熔覆粉末，将按照质量占比分别为0.40%的c、0.5%的稀土元素gd，0.5%的ni、6.0%的b、4.0%的si、8%的vc、5%的cr、余量为fe的粉末，混合均匀，放入球磨机进行研磨，研磨时间70min，得到激光熔覆粉末，然后放入干燥箱干燥，温度为100℃，保温时间为70min；所述粉末中，vc粒径为50-85μm，其它粉末粒径为15-50μm；
49、步骤四：将主驱动密封跑道进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为300℃，保温时间为1h；
50、步骤五：进行激光熔覆，利用激光在主驱动密封跑道上将步骤三得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆；熔覆层为两层梯度涂层，与基体接触的第一层熔覆层粉末不含vc,第二层粉末vc含量为8%。激光光斑直径为9mm，扫描速度为5mm/s，熔覆层单层厚度为1.0mm，保护气体为氩气；
51、步骤六：激光熔覆后对熔覆层进行打磨，要求粗糙度1.6μm以下；
52、步骤七：将激光熔覆后的主驱动跑道在热处理炉中进行保温以去除残余应力，保温温度为200℃，保温时间为2.5h，然后空冷至室温。
53、实施例
54、一种激光熔覆耐磨涂层，所述耐磨涂层材料按照质量占比分别为0.25%的c、1.0%的稀土元素gd，3.0%的ni、3.5%的b、2.5%的si、12%的vc、17%的cr、余量为fe。
55、本实施例所提供的激光熔覆耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
56、步骤一：对主驱动密封跑道进行预处理，表面磨抛之后用丙酮和无水乙醇清洗；
57、步骤二：对粉末材料进行超声清洗处理；
58、步骤三：制备熔覆粉末，将按照质量占比分别为0.25%的c、1.0%的稀土元素gd，3.0%的ni、3.5%的b、2.5%的si、12%的vc、17%的cr、余量为fe的粉末，混合均匀，放入球磨机进行研磨，研磨时间150min，得到激光熔覆粉末，然后放入干燥箱干燥，温度为80℃，保温时间为120min。所述粉末中，vc粒径为50-85μm，其它粉末粒径为15-50μm；
59、步骤四：将主驱动密封跑道进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为260℃，保温时间为2h；
60、步骤五：进行激光熔覆，利用激光在主驱动密封跑道上将步骤三得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆。熔覆层为两层梯度涂层，与基体接触的第一层熔覆层粉末不含vc,第二层粉末vc含量为12%。激光光斑直径为15mm，扫描速度为3mm/s，熔覆层单层厚度为0.6mm，保护气体为氩气；
61、步骤六：激光熔覆后对熔覆层进行打磨，要求粗糙度1.6μm以下；
62、步骤七：将激光熔覆后的主驱动跑道在热处理炉中进行保温以去除残余应力，保温温度为250℃，保温时间为2h，然后空冷至室温。
63、无熔覆层，主驱动密封跑道采用表面淬火，淬火层深度5mm，淬火层硬度55hrc。
64、为了对比本发明实施例与对比例的熔覆层耐磨性能差异，选取相同尺寸试样进行湿砂磨损试验。磨损试验对象为密封常用的丁腈橡胶，邵氏硬度为80，丁腈橡胶试样直径为178mm。载荷200n，转速为200r/min，磨损试验时间均为10h。磨损前测试基体硬度、熔覆层硬度、熔覆层深度，磨损试验后测试磨损失重，并观察试验前的熔覆层开裂情况，结果如表1所示。
65、表1 磨损试验后刀圈的磨损失重
66、 基体硬度,hrc 熔覆层硬度，hv 熔覆层深度，mm 磨损失重，g 熔覆层开裂情况 实施例1 35 55 3 0.50 无开裂 实施例2 35 58 2 0.23 无开裂 实施例3 35 60 1.2 0.12 无开裂 对比例1 55 - - 4.23 -
67、以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。