CN102453901B

CN102453901B - 在石油钻杆表面制备wc硬质合金耐磨带的方法

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Publication number: CN102453901B
Application number: CN201010518945.4A
Authority: CN
Inventors: 陶兴启; 黄旭东; 崔忠宝
Original assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Current assignee: SHENYANG DALU LASER SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-10-26
Also published as: CN102453901A

Abstract

在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法，其特点是有以下步骤：(1)石油钻杆表面预处理；(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；(3)高功率激光器熔覆打底合金涂层；(4)高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末；(5)熔覆后探伤检验。本发明采用梯度涂层方式在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带，选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高的WC硬质合金粉末作为工作层，在满足工作层特性的情况下，保证了工作层与基材良好的结合强度，且能在使用中抑制裂纹向基体扩展。

Description

在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法

技术领域

本发明涉及一种钻井装置部件表面制备耐磨涂层的方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术在钻井装置石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

石油钻杆接头耐磨带主要作用是为了保护套管，同时防止钻具的磨损。堆焊在钻具的表面，起到双重保护的目的。可以使用在裸眼井和水平井工程中的钻具上。对于保护套管、钻杆、加重钻杆和钻铤在石油钻井工程中不被磨损起到了重要的作用。可以增加3到5倍以上的钻具使用寿命。

石油钻杆接头耐磨带要求具有下列基本功能：一、将套管磨损状态降至最低程度；二、耐磨带的磨损，代替了钻杆接头和套管的磨损；三、裸眼井钻进时的抗磨效果几乎等同于碳化钨；60以上的洛氏硬度确保钻杆接头和套管之间的理想摩擦和均衡保护；四、可以堆焊在新旧钻杆接头、钻铤、加重钻杆，以及各种井下工具表面；五、可“凸焊”方式，让所有的摩擦负担由耐磨带代替；六、耐久的抗磨寿命，大大减少了起下钻、重新修焊和往返，运输的时间及成本。

石油钻杆耐磨带一般采用堆焊硬质合金，但由于堆焊层的金相组织粗大，气孔、裂纹粗大、夹杂较多，堆焊时硬质相分解严重，影响了耐磨带使用，在使用中经常出现剥落、耐磨性不够、寿命低等问题。其中，堆焊时硬质相分解严重是难以解决的问题。一般采用大颗粒WC，由于WC硬质合金在堆焊过程中其高脆性难以承受堆焊过程产生的较大拉应力，产生微裂纹，造成了使用中出现剥落现象，使堆焊层耐磨性下降，钻具使用寿命降低。

因此，选择适当的在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的工艺，使石油钻杆表面的WC硬质合金耐磨带与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层的厚度均匀，是所属领域当前亟待解决的课题。

激光熔覆技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。

目前，关于利用激光熔覆工艺制备设备部件耐磨合金涂层的专利和报道很多：例如，

公开号为CN 1932082的中国发明专利申请给出的《在结晶器表面激光快速熔覆制备耐磨抗热复合涂层工艺》，其特点在于利用高功率激光器，通过激光快速扫描在结晶器铜板表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光宽带熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗热性能优良的钴基合金。

公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。

公开号为CN101338427的中国发明专利申请给出的《液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Fe、C、Cr、Ni、Mo、Si、N、Nb、Ta、B；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.6-1.2mm。

公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO₂激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。

公开号为CN101338428的中国发明专利申请给出的《镐形截齿齿体头部激光熔覆耐磨涂层强化工艺》，包括以下工艺过程：首先是截齿齿体头部表面预处理；然后是合金粉末的选择和自动送粉装置的调整；最后是截齿头部激光熔覆耐磨合金涂层。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行耐磨涂层处理，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像石油钻杆这样的特定结构，现有激光熔覆工艺所提供的工艺参数已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术对在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法。该方法是在高功率激光束辐照工件表面的同时，采用自动送粉装置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池内发生快速熔化和凝固，形成均匀致密的耐磨抗蚀熔覆层，熔覆层与基体形成牢固的冶金结合。熔覆层厚度在1.2-3mm，硬度、厚度均匀分布。

本发明给出的技术方案是：这种在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法，其特点是工艺过程如下：

(1)石油钻杆表面预处理

在室温下采用无水乙醇对石油钻杆加工部位进行除油处理；

(2)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，其化学成份按重量百分含量为：

C：0.02～0.04％、Cr：21～22％、Fe：1.2～1.6％、Mo：8～10％、Si：0.2～0.6％、Nb：3.5～4％、余量为Ni；

选用耐磨性高，抗高温的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作为工作层，其中

WC重量百分数≥60％，Ni-Cr-B-Si混合合金粉末的化学成份按重量百分含量为：C：0.3～0.35％、Cr：2～4％、Fe：2～4％、Si：3.5～4％、B、1.2～1.8％、余量为Ni；

调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.8-1.0mm；

(3)高功率激光器熔覆打底合金涂层

选用高功率CO₂激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，然后利用高功率CO₂激光成套设备熔覆打底合金，具体工艺参数如下：

聚焦镜f＝300～400，

熔覆功率P＝3000～5000W，

光斑直径D＝2--3mm，

熔覆扫描速度V＝600～1200mm/min，

搭接率40～60％；

(4)高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末

可采取两种加工方式

1)窄带熔覆加工

采取送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末，具体工艺参数如下：

熔覆功率P＝1500～2500W，

光斑直径D＝1.2～3mm，

熔覆扫描速度V＝150～250m/min，

搭接率40～60％；

或

2)宽带熔覆加工

熔覆功率P＝5000～7000W

光斑大小长X宽＝10X1mm

熔覆扫描速度V＝300～500m/min

搭接率40～60％；

(5)熔覆后探伤检验

要求加工部位无肉眼可见裂纹、气孔等缺陷，表面平整。

本发明选用与石油钻杆基材结合性好的镍基自熔合金粉末作为打底层，这是因为这种镍基自熔合金粉末具有优良的韧性和高的强度，可以抑制激光熔覆过程中由于基材与熔覆材料热物性之间的差异导致产生的组织应力。另外在使用过程中还可抑制裂纹向基体扩展，延长石油钻杆使用寿命。

本发明选取采用球形WC作为硬质抗磨相，采用韧性好强度高的Ni-Cr-B-Si合金粉末作为粘接相，减少了裂纹形成，由于球形烧结WC中的钴对WC具有很好的润湿能力，因而使得涂层中的粘结相和硬质相能够更好的结合，进而提高了涂层的耐磨性、抗弯强度和冲击韧性。极大提高了石油钻杆使用周期。

本发明使用的激光器类型是高功率CO₂气体激光器，其最高功率是10000W，波长10.6微米，可实现窄带扫描以及宽带矩形扫描进行熔覆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、激光熔覆合金涂层均匀、致密，涂层具有优良的耐磨抗蚀性能，采用球形WC作为抗磨相，极大提高了壳体表面耐磨性，采用韧性好强度高的Ni-Cr-B-Si合金粉末作为粘接相，减少了裂纹形成，采用本发明技术制造的石油钻杆显著提高了耐磨抗蚀性能和使用寿命。

2、采用梯度涂层方式加工，选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，选用耐磨性高的WC硬质合金粉末作为工作层，在满足工作层特性的情况下，保证了工作层与基材良好的结合强度，且能在使用中抑制裂纹向基体扩展。

具体实施方式

实施例1在石油钻杆表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层

作为打底层的合金粉末的化学组成按重量百分含量为：C：0.03％、Cr：21.5％、Fe：1.4％、Mo：9％、Si：0.3％、Nb：3.6％、余量为Ni；

作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末的化学组成按重量百分含量为：WC重量百分数70％，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末为30％；混合合金粉末的化学成份按重量百分含量为：C：0.32％、Cr：3％、Fe：3％、Si：3.5％、B、1.4％、余量为Ni；

激光熔覆工艺包括以下过程：

1)前期机加

将需进行激光熔覆部位由机加至

2)表面预处理

在室温下采用无水乙醇对加工部位进行除油处理。

3)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层

选用耐磨性高，抗高温的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末与作为工作层，

调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.8mm。

4)高功率激光器熔覆打底合金

选用高功率CO₂激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，然后利用高功率CO₂激光成套设备熔覆打底合金；具体工艺参数如下：

聚焦镜f＝400，熔覆功率P＝3000W，光斑直径D＝3mm，

熔覆扫描速度V＝600mm/min，搭接率40％。

5)高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末

(1)采取窄带熔覆加工，以重力送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末。

熔覆功率P＝2500W，光斑直径D＝3mm，

熔覆扫描速度V＝200m/min，搭接率50％。

或采用

(2)宽带熔覆加工

采取送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末。

熔覆功率P＝5000～7000W，光斑大小长X宽＝10X1mm，

熔覆扫描速度V＝300～500m/min，搭接率40～60％。

6)熔覆后探伤检验

要求加工部位无肉眼可见裂纹、气孔等缺陷，表面平整。

实施例2在石油钻杆表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层

作为打底层的合金粉末的化学组成按重量百分含量为：C：0.04％；Si：0.5％；Fe：1.6％；Cr：22％；Mo：9.5％；Nb：4％；Ni：余量；

作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末的化学组成按重量百分含量为：WC重量百分数60％，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末占40％；混合合金粉末的化学成份按重量百分含量为：C：0.34％、Cr：3.6％、Fe：3.5％、Si：3.8％、B、1.6％、余量为Ni；

激光熔覆工艺包括以下过程：

1)前期机加

将需进行激光熔覆部位由机加至

2)表面预处理

在室温下采用无水乙醇对加工部位进行除油处理。

3)合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用耐磨性高，抗高温的球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末与作为工作层，

调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1.2mm。

4)高功率激光器熔覆打底合金

聚焦镜f＝400，熔覆功率P＝4000W，光斑直径D＝3mm，

熔覆扫描速度V＝800mm/min，搭接率40％。

5)高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末

采取宽带熔覆加工，以重力送粉方式喂入合金粉末，在镍基合金表面熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末。

熔覆功率P＝6000W，光斑大小长X宽＝10X1mm，

熔覆扫描速度V＝500m/min，搭接率50％。

6、熔覆后探伤检验

要求加工部位无肉眼可见裂纹、气孔等缺陷，表面平整。

Claims

1.一种在石油钻杆表面制备WC硬质合金耐磨带的方法，有以下步骤：

（1）石油钻杆表面预处理

在室温下采用无水乙醇对石油钻杆加工部位进行除油处理；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节

选用韧性好强度高且与基体冶金相容性良好的镍基合金粉末作为打底层，

选用耐磨性高，抗高温的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作为工作层，

调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到0.8—1.0mm；

（3）高功率激光器熔覆打底合金涂层

聚焦镜f = 300～400 ，熔覆功率P=3000～5000W ，

光斑直径D=2--3mm ，熔覆扫描速度V=600～1200mm/min ，

搭接率40～60% ；

（4）高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末

可采取两种加工方式：

1）窄带熔覆加工

熔覆功率P=1500～2500W ，光斑直径D=1.2～3mm ，

熔覆扫描速度V=150～250m/min ，搭接率40～60% ；

或2）宽带熔覆加工

熔覆功率P=5000～7000W ，光斑大小长X宽=10X1mm ，

熔覆扫描速度V=300～500m/min ，搭接率40～60% ；

（5）熔覆后探伤检验

要求加工部位无肉眼可见裂纹、气孔缺陷，表面平整；

其特征在于

作为打底层的镍基合金粉末的化学成份按重量百分含量为：

C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.3%、Nb：3.6%、余量为Ni；

作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末，按重量百分含量为：

WC重量百分数70%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末为30%；

混合合金粉末的化学成份按重量百分含量为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.5%、B、1.4%、余量为Ni。