CN102465289A - 在测井装置电阻率测量仪壳体上制备wc硬质合金耐磨带的方法 - Google Patents
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Abstract
在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，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且抗高温的工作层，其特点是：先进行壳体表面预处理；然后选择合金粉末和自动送粉装置；在壳体表面进行高功率激光器熔覆镍基合金粉末和高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末，使壳体表面形成0.5-1.2mm的抗磨损涂层；最后进行熔覆后探伤检验。本发明具有生产率高、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
技术领域
本发明涉及一种仪器仪表部件的耐磨抗蚀方法，特别是涉及一种采用激光熔覆技术在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法。
背景技术
在石油钻探中，使用电阻率测量法测量油层含油量，因此电阻率测量仪壳体避免不了与地下岩石层摩擦，为保护仪器，延长壳体使用周期，常在壳体表面焊接耐磨带。耐磨带表面将吸收井下负荷，避免壳体被磨损及热裂纹损坏。最糟糕的情况无非是耐磨带被损坏，然后需要去掉耐磨带且重新加焊。这样就可以保护壳体，使其继续工作。耐磨带与套管内壁接触时的低摩擦系数，能降低在位移井或大斜度井出现的扭矩和摩擦阻力，从而对扭矩和摩擦阻力减少可减少燃油消耗。
电阻率壳体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，壳体使用寿命降低。
因此，选择适当的制备电阻率壳体WC硬质合金耐磨带的工艺，使电阻率测量仪壳体耐磨合金涂层与基体结合强度高、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，例如像测井装置电阻率测量仪壳体这样的特殊结构，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：采用激光熔覆工艺在测井装置电阻率测量仪壳体上制备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测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带，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测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带处理难的课题，通过反复研究改进，给出了一种新的在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法。该制备WC硬质合金耐磨带的方法利用高功率激光器，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。与常规的工艺相比较，激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且涂层成分稀释率低，涂层厚度也可准确控制，属于无接触型处理，以及整个过程很容易实现自动控制。
本发明给出的技术方案是：这种在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，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且抗高温的工作层，其特点是有以下步骤：
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0.5-1.2mm；
3、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，其工艺参数如下：
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
a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，其工艺参数如下：
熔覆功率P＝1500～2500W
光斑直径D＝1.2～3mm
熔覆扫描速度V＝100～200m/min
搭接率40～60％：或
b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，其工艺参数如下：
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，熔覆层表面平整。
本发明选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按质量百分数为：C：0.02～0.04％；Si：0.3～0.5％；Fe：1.2～1.6％；Cr：20.5～22.5％；No：8～10％；Nb：3.5～4.0％；Ni：余量；
本发明选用作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末的化学成份按质量百分数为：
A、作为粘接相的镍基合金的化学成分，以质量百分数计：
碳0.05-0.3％、硅2-4％、硼1-3％、铬0-8％、铁0-8％、其余为镍，
B、碳化钨特征
球状铸造碳化钨，粒度40-70um，
C、粉末比例
球状铸造碳化钨质量百分数为60-80％，镍基合金为粘接相质量百分数为20％--40％；
本发明的原理是：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，进过大量的实验研究得到并优化工艺参数，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。
与常规的表面涂覆工艺相比较，本发明选用的高功率CO2激光成套设备是本行业常用的高功率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。激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆，且涂层成分稀释率低，涂层厚度也可准确控制，属于无接触型处理，以及整个过程很容易实现自动控制；另外，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。
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电阻率壳体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
本发明的在电阻率壳体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
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
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
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。
本发明选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按质量百分数为：
C：0.03％；Si：0.4％；Fe：1.4％；Cr：21.5％；Mo：9％；
Nb：3.8％；Ni：余量；
作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末的化学成份按质量百分数为：
A、作为粘接相的镍基合金的化学成分，以质量百分数计：
碳0.05-0.3％、硅2-4％、硼1-3％、铬0-8％、铁0-8％、其余为镍，
B、碳化钨特征
球状铸造碳化钨，粒度40-70um，
C、粉末比例
球状铸造碳化钨质量百分数为70％，镍基合金为粘接相质量百分数为30％，
实施例2
本发明的在电阻率壳体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
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。
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。
本发明选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按重量百分比为：
C：0.04％；Si：0.5％；Fe：1.6％；Cr：22.5％；Mo：8％；
Nb：3.5％；Ni：余量；
本发明选用作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末的化学成份按重量百分比为：
A、作为粘接相的镍基合金的化学成分，以质量百分数计：
碳0.05-0.3％、硅2-4％、硼1-3％、铬0-8％、铁0-8％、其余为镍，
B、碳化钨特征
球状铸造碳化钨，粒度40-70um，
C、粉末比例
球状铸造碳化钨质量百分数为60％，镍基合金为粘接相质量百分数为40％。
Claims (4)
1.一种在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，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过渡层的合金表面制备耐磨及抗蚀性能优良且抗高温的工作层，其特征在于有以下步骤：
(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0.5-1.2mm；
(3)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，其工艺参数如下：
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
a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，其工艺参数如下：
熔覆功率P＝1500～2500W
光斑直径D＝1.2～3mm
熔覆扫描速度V＝100～200m/min
搭接率40～60％：或
b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，其工艺参数如下：
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，熔覆层表面平整。
2.根据权利要求1所述的在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，其特征在于选用作为打底层的镍基合金合金粉末的化学成份按质量百分数为：
C：0.02～0.04％；Si：0.3～0.5％；Fe：1.2～1.6％；Cr：20.5～22.5％；Mo：8～10％；Nb：3.5～4.0％；Ni：余量；
选用作为工作层的球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末的化学成份按重量百分比为：
A、作为粘接相的镍基合金的化学成分，以质量百分数计：
碳0.05-0.3％、硅2-4％、硼1-3％、铬0-8％、铁0-8％、其余为镍，
B、碳化钨特征
球状铸造碳化钨，粒度40-70um，
C、粉末比例
球状铸造碳化钨质量百分数为60-80％，镍基合金为粘接相质量百分数为20％--40％。
3.根据权利要求2所述的在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，其特征在于较好的镍基合金合金粉末的化学成份按质量百分数为：C：0.03％；Si：0.4％；Fe：1.4％；Cr：21.5％；Mo：9％；Nb：3.8％；Ni：余量。
4.根据权利要求2所述的在测井装置电阻率测量仪壳体上制备WC硬质合金耐磨带的方法，其特征在较好的镍基合金合金粉末的化学成份按质量百分数为：C：0.04％；Si：0.5％；Fe：1.6％；Cr：22.5％；Mo：8％；Nb：3.5％；Ni：余量。
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