CN103194748A - 在石油钻具稳定器激光熔覆制备wc硬质合金耐磨层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层 的方法 ，其特点是利用高功率激光器，通过激光快速扫描在壳体表面熔覆与基体成冶金结合的良好的韧性打底过渡层，并通过激光熔覆在打底合金表面制备耐磨及抗蚀性能优良的 球形 WC 与 Ni-Cr-B-Si 混合合金粉末 。本发明通过 制备与基体形成冶金结合的WC硬质合金涂层，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀及抗热裂特性 ，同时激光熔覆工艺对环境无污染、无辐射、低噪声，还具有生产率高、能耗低、熔覆层加工余量小、成品率高以及综合成本低等特点。

Description

在石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层 的方法

技术领域

本发明涉及一 种石油钻具的修复再制造方法,特别是涉及一种在石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，属于激光熔覆技术领域。

背景技术

钻具稳定器是石油钻井工具防止井斜变化的重要工具，在配备较大刚性钻铤和施加较大钻压的使用情况下，合理稳定器将使井斜变化率和方位变化率较小，提高井身质量和钻井速度，降低钻井成本。由于稳定器的外径和井眼间隙很小，旋转钻具使其棱边易磨损，特别在硬地层会很快使外径磨损失效，因此在稳定器外径包覆耐磨材料，耐磨层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、耐磨层的磨损，代替了钻具接头和套管的磨损；三、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。

稳定器耐磨层的包覆其手段常用以下四种：一、表面镶嵌硬质合金柱；二、表面镶嵌合金及聚晶复合体；三、表面低温钎焊硬质合金块；四、表面堆焊耐磨焊条。 堆焊耐磨层工艺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，影响了耐磨层使用，在使用中经常出现剥落、耐磨性不够、寿命低等问题。堆焊时硬质相分解严重是难以解决的问题。镶嵌和钎焊硬质合金工艺由于稳定器在工作时产生摩擦力较大，WC硬质合金在高脆性及镶嵌和钎焊的低结合强度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，选择适当的石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的工艺方法，使钻具稳定器表面WC硬质合金耐磨层与基体结合强度高、耐磨性能好、合金涂层的厚度均匀，是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。

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很多：例如。

公开号为 CN1202534 的中国发明专利申请 给出的《 金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法 》， 该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。

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 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。

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 ，并通过配制适当的熔覆材料克服了激光熔层存在的裂纹、气孔和微观结构不均匀性的问题，取得一定的技术效果。但对其他特定的设备部件，例如像石油钻具稳定器这样的特殊结构，现有的激光熔覆工艺已明显不能适应。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆工艺完成石油钻具稳定器表面耐磨合金涂层，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完成石油钻具稳定器表面耐磨合金涂层的工艺方法，仍需所属领域的技术人员利用公知的激光熔覆技术，针对特定的石油钻具稳定器表面耐磨合金涂层制备这一课题进一步作出创造性的研究工作，以便能给出令人满意的激光熔覆制备石油钻具稳定器表面耐磨合金涂层的方法。

发明内容

本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种高功率CO₂激光器熔覆在钻井装置石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法。该方法可制备与基体形成冶金结合的WC硬质合金涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀及抗热裂特性。

本发明给出的技术方案是：这种在石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特点是包括以下过程。

1 、壳体表面预处理。

在室温下采用无水乙醇对加工部位进行除油处理。

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IN625镍基合金粉末作为打底层，其化学成份中主要含有Fe、C、Si、Cr、Ni、Mo、Nb；其化学成份按重量百分比为：C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.4%、Nb：3.8%，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，WC重量百分数≥60%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分数≤40%，其化学成份按重量百分比为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，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0.5—1.2mm。

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。

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% 。

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%。

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。

本发明的原理是：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。

本发明选用与17-4PH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，高的强度；这样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。另外在使用过程中可抑制裂纹向基体扩展，延长壳体使用寿命。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。极大提高了壳体使用周期。

本发明通过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，合理设计并优化工艺参数，进行激光快速熔覆，与基材形成牢固的冶金结合，实现和基体材料良好的韧性过渡；然后选取采用球形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，形成均匀致密的优良抗热耐磨复合涂层。

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具稳定器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。

本发明的在石油钻具稳定器表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层工艺，包括以下过程。

1. 前期机加。

将需进行激光熔覆部位由Ø190mm机加至Ø182mm。

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IN625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。

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。WC重量百分数60%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分数40%，其化学成份按重量百分比为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，余量为Ni。

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%。

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。

本发明的在石油钻具稳定器表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层工艺，包括以下过程。

1. 前期机加。

将需进行激光熔覆部位由Ø190mm机加至Ø184mm。

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。

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=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。WC重量百分数65%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分数35%，其化学成份按重量百分比为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，余量为Ni。

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。

实施例3。

本发明的在石油钻具稳定器表面激光快速熔覆制备耐磨复合涂层工艺，包括以下过程。

1. 前期机加。

将需进行激光熔覆部位由Ø190mm机加至Ø180mm。

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1.0mm。

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=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。WC重量百分数70%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分数30%，其化学成份按重量百分比为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，余量为Ni。

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)

1.一种在石油钻具稳定器激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特征在于包括以下过程：

（1）壳体表面预处理

在室温下采用无水乙醇对加工部位进行除油处理；

（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粉末作为打底层，其化学成份按重量百分比为：C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.4%、Nb：3.8%，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粉末作为工作层，WC重量百分数≥60%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分数≤40%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末的化学成份按重量百分比为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，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0.5—1.2mm；

（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

可采取以下两种加工方式：

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，

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

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% ；

（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。