CN102803749A - 耐腐蚀位置测量系统及该系统的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成位置测量系统（10）的方法包括使由第一材料形成的基底（12）的表面（20）熔化，其中在所述表面（20）中限定有至少一个凹槽（22），并且其中所述表面（20）在所述至少一个凹槽（22）内熔化。所述方法还包括在熔化的同时将第二材料沉积到所述至少一个凹槽（22）内，以形成所述第一材料与所述第二材料的混合物。所述方法还包括使所述混合物固化以形成可与所述第一材料相区分并与所述第一材料冶金地结合的指示材料（42），并且将合金沉积到所述基底（12）上以形成覆盖所述指示材料（42）和所述表面（20）的耐腐蚀覆层（44），由此形成所述位置测量系统（10）。本发明还公开了一种位置测量系统（10）。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年3月16日提交的美国临时专利申请No.61/314,248的优先权，该申请的全部内容以引用的方式结合入本文。
技术领域
本发明总体上涉及位置测量系统和形成位置测量系统的方法。
背景技术
离岸钻探设备通常包括用于补偿波浪引起的运动的定向作用张紧器。更具体地，定向作用张紧器可包括具有活塞杆的一个或多个大型液压缸。液压缸连续地缓冲波浪引起的运动并由此平衡钻探设备和/或稳定钻柱。由此，可通过测量、监控和调节液压缸内的活塞杆的位置来优化缓冲。此外，液压缸通常安装在钻探设备的甲板下方，即浪溅区内，并因此常常暴露于来自空气传播的盐雾、海水、冰、移动的缆索和/或碎片的极有腐蚀性并引起磨损的环境。因此，这些液压缸的活塞杆必须呈现优异的耐腐蚀性和耐磨性，并且必须保持在使用寿命中不开裂。
其它类型的活塞杆和液压缸可致动用于包括运河、水闸、水力发电设备、铸造厂和金属加工设备的应用的大型闸阀。可通过测量并调节液压缸内的活塞杆的位置或位移来控制闸阀的致动。此外，在液压缸的操作期间，活塞杆可能进行数千次引起磨损的移位和/或可能经历来自移动的机械、构件和密封件的冲击。
发明内容
一种形成位置测量系统的方法包括使由第一材料形成的基底的表面熔化，其中在所述表面中限定有至少一个凹槽并且所述表面在所述至少一个凹槽内熔化。所述方法还包括在熔化的同时将第二材料沉积到所述至少一个凹槽内，以形成所述第一材料与所述第二材料的混合物。此外，所述方法包括使所述混合物固化，以形成可与所述第一材料相区分并与所述第一材料冶金地结合的指示材料。所述方法还包括将合金沉积到所述基底上以形成覆盖所述指示材料和所述表面的耐腐蚀覆层，从而形成所述位置测量系统。
在一个实施例中，所述方法包括加工基底的表面，以在表面中限定多个凹槽。所述基底由第一磁性材料形成并为具有纵向轴线的圆柱形杆。所述多个凹槽中的每一个都沿所述纵向轴线与所述多个凹槽中相邻的一个间隔开，并且所述方法包括使所述表面在所述多个凹槽中的每一个内熔化，以由此使所述多个凹槽沿所述纵向轴线均匀地分布。此外，所述方法包括在熔化的同时将第二非磁性材料沉积到所述多个凹槽中的每一个内，以由此形成所述第一磁性材料和所述第二非磁性材料的多种相应的混合物。所述方法还包括使所述多种相应混合物中的每一种混合物固化，以形成可与所述第一磁性材料相区分并与所述第一磁性材料冶金地结合的非磁性指示材料。此外，所述方法包括将非磁性合金沉积到所述基底上以形成覆盖所述非磁性指示材料和所述表面并与所述非磁性指示材料和所述表面冶金地结合的耐腐蚀覆层，以由此形成所述位置测量系统。
一种位置测量系统包括基底，所述基底由第一材料形成并且具有一表面，在所述表面中限定有至少一个凹槽。所述位置测量系统还包括布置在所述至少一个凹槽内的指示材料。所述指示材料由第一材料与第二材料的混合物形成，并可与所述第一材料相区分并与所述第一材料冶金地结合。此外，所述位置测量系统包括耐腐蚀覆层，所述耐腐蚀覆层由合金形成并布置在所述基底上以便覆盖所述指示材料和所述表面。
本发明的上述特征以及其它特征和优点易于从下文结合附图对用于实施本发明的最佳模式的详细描述而显而易见。
附图说明
图1是位置测量系统的示意性立体图；
图2是图1的位置测量系统沿剖面线2-2截取的示意性截面图；以及
图3是图1和2的位置测量系统的多个凹槽的示意性截面图。
具体实施方式
参见附图，其中同样的参考标号表示同样的元件，在此描述一种形成位置测量系统10的方法。位置测量系统10可用于检测在腐蚀性环境中操作的基底12的位置。亦即，位置测量系统10呈现优异的耐腐蚀性，并且位置测量系统10可用于确定基底12相对于基准位置的位置或位移。由此，位置测量系统10可用于海洋应用，诸如离岸钻探设备，以用于指示液压缸内的基底12例如活塞杆的位置。然而，位置测量系统10也可用于需要位置测量和耐腐蚀性的非海洋应用，包括但不限于运河、水闸、水力发电设备、铸造厂和金属加工设备。
参见图1，位置测量系统10包括由第一材料形成的基底12。在一个非限制性的示例中，基底12可为如图1所示的具有纵向轴线14的圆锥形杆，诸如用于液压缸（未示出）的活塞杆。此外，基底12可根据期望应用具有任何合适的尺寸。例如，对于需要基底12平移进出密封的缸或阀壳体（未示出）的应用而言，基底12可具有从约1.5米至约18米的长度16，和从约120mm至约510mm的直径18。由此，基底12的特征为超大（XL）液压缸活塞杆。
第一材料可为金属。此外，第一材料可为含铁的材料。因此，第一材料可为磁性的，并可具有第一导磁率。第一材料可从诸如但不限于钢、碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢、铸铁和其组合物之类的材料中选择。在一个非限制性的示例中，第一材料可为经热处理、低合金、高强度的钢，诸如SAE（Society of Automotive Engineers，汽车工程师协会）4130钢或SAE4340钢。在另一个非限制性的示例中，第一材料可为普通碳钢，诸如SAE1045钢。
现在参见图2，基底12具有表面20，在表面20中限定有至少一个凹槽22。如图3所示，至少一个凹槽22可具有V形并可限定具有从约0.3mm至约0.7mm例如约0.5mm的半径的基本上圆形的顶部24。因此，所述至少一个凹槽22的每一侧26、28二者之间可限定从约55°至约65°例如约60°的夹角30。亦即，至少一个凹槽22的每一侧26、28可相对于表面20倾斜。由此，代替具有可在冲击或引起磨损的事件期间集中应力并导致基底12开裂的正方形形状（未示出）或锋利顶部（未示出），凹槽22可具有构造成消散应力的基本上圆形顶部24。
继续参考图1和2，表面20可在其中限定有多个凹槽22。多个凹槽22中的每一个都可在从约0.9mm至约1.3mm、例如约1.1mm的深度32（图3）处从表面20延伸到基底12内，并可具有从约1.9mm至约2.1mm、例如约2.0mm的凹槽宽度34（图2）。此外，如图3中最好地示出，两个相邻的凹槽22二者之间可限定间隙36，该间隙具有从约1.9mm至约2.1mm、例如约2.0mm的间隙宽度38，以使得多个凹槽22中的每一个都沿纵向轴线14（图1）与多个凹槽22中相邻的一个间隔开。因此，表面20可在其中限定有沿纵向轴线14（图1）均匀地分布的多个凹槽22。换而言之，各间隙36可通过凹槽22与相邻的间隙36等距地间隔开，以使得凹槽宽度34（图2）与间隙宽度38（图3）之比可为1:1。因此，一个间隙36和一个凹槽22的总宽度可为约4.0mm，以使得位置测量系统10的周期或节距40可为约4.0mm。此外，如图1所示，多个凹槽22中的每一个都可布置成基本上垂直于纵向轴线14。亦即，表面20可在基底12中限定周向或径向凹槽22。
再参见图2，位置测量系统10还包括布置在所述至少一个凹槽22内的指示材料42。指示材料42可在操作期间指示基底12的位置，如下文更详细所述。指示材料42由第一材料与第二材料的混合物形成。
更具体而言，第二材料可为用于激光焊接操作的填充金属，如下文更详细所述。因此，第二材料可为非磁性的并且可以为用于通过激光器（未示出）喷射和熔化的粉末或线材。由此，指示材料42也可以是非磁性的。在另一个非限制性的变型中，第二材料可为磁性的。对于这种变型而言，指示材料42也可为磁性的并可具有与上述第一材料的第一导磁率不同的第二导磁率。
对于第一材料为低合金、高强度钢或普通碳钢的实施例而言，第二材料可为包括从镍、钴和其组合物的群组中选择的元素的合金。第二材料中可存在镍和/或钴，以向指示材料42提供耐腐蚀性。更具体而言，第二材料中存在的镍和/或钴的量基于第二材料的100份重量可为约1份至约90份重量。例如，用于向指示材料42提供优异的耐腐蚀性的合适的第二材料基于金属合金的100份重量可包括约65份重量的镍、约20份重量的铬、约8份重量的钼、约3.5份重量的铌与钽的组合物和约4.5份重量的铁，并可从纽约州New Hartford的Special Metals Corporation以品名
625购得。类似地，合适的第二材料可包括约54份重量的钴、约26份重量的铬、约9份重量的镍、约5份重量的钼、约3份重量的铁、约2份重量的钨和约1份重量的锰、硅、氮和碳的组合物，并可从印第安纳州Kokomo的Haynes International,Inc.以品名
购得。此外，第二材料的其它合适的非限制性的示例可包括可从宾夕法尼亚州Reading的Carpenter Technology Corporation以品名
可从印第安纳州Goshen的Stellite Coatings以品名
21和可从俄亥俄州Cleveland的Eaton Corporation以品名EatoniteTMABC-L1购得的合金。
或者，第二材料可为不锈钢。合适的不锈钢包括但不限于308级、316级、321级和347级奥氏体不锈钢。对于一些在比较短的使用寿命例如不足约15年需要优异的耐腐蚀性的一些应用，或者在腐蚀性比较低的操作环境例如微咸水下，合适的第二材料可替代地包括马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、超铁素体不锈钢、双相不锈钢、超双相不锈钢和它们的组合物。
再参见图2，指示材料42可与第一材料相区分。例如，由于指示材料42可为非磁性的且第一材料可为磁性的，指示材料42可为可区分的，即能由诸如霍尔效应传感器或换能器之类的传感器（未示出）感测或检测到，所述传感器构造成响应于磁场的变化而改变输出电压。在另一个非限制性的示例中，指示材料42可基于指示材料42的第二导磁率与第一材料的第一导磁率之间的差异与第一材料相区分。例如，指示材料42和第一材料各者可为磁性的，但指示材料2可具有与第一材料的第一导磁率不同的第二导磁率。因此，传感器可对指示材料42和第一材料分别的第二导磁率和第一导磁率之间的差异作出响应。在又一个非限制性的示例中，指示材料42可基于诸如密度之类的另一种性质与第一材料相区分。
指示材料42也可与第一材料冶金地结合。例如，指示材料42可与第一材料焊接结合。亦即，由于指示材料42由第一材料与第二材料的混合物例如在熔化之后形成，所以指示材料42与第一材料冶金地结合，如下文更详细所述。
继续参见图2，位置测量系统10还包括由合金形成并布置在基底12上以便覆盖指示材料42和表面20的耐腐蚀覆层44。耐腐蚀覆层44可向位置测量系统10提供优异的耐腐蚀性和耐磨性，如下文更详细所述。
耐腐蚀覆层44的合金可为用于激光熔覆操作的金属合金。因此，该合金可为用于通过激光器（未示出）喷射和熔化的粉末或线材。此外，合金和耐腐蚀覆层44可为非磁性的。或者，合金和耐腐蚀覆层44可为磁性的，但可具有与上述第一材料的第一导磁率不同的导磁率。
耐腐蚀覆层44的合金可类似于第二材料。例如，对于第二材料为625的应用而言，耐腐蚀覆层44的合金也可为
625。同样，对于第二材料为316级不锈钢的应用而言，耐腐蚀覆层44的合金也可为316级不锈钢。或者，第二材料和耐腐蚀覆层44的合金可以不相似。例如，根据成本或重量考虑，第二材料可为316级不锈钢，并且耐腐蚀覆层44的合金可为
625。
对于第一材料为低合金、高强度钢或普通碳钢的实施例而言，耐腐蚀覆层44的合金可包括从镍、钴和其组合物的群组中选择的元素。合金中可存在镍和/或钴，以向位置测量系统10提供耐腐蚀性。更具体而言，合金中存在的镍和/或钴的量基于该合金的100份重量可为约1份至约90份重量。例如，耐腐蚀覆层44的合适的合金基于该合金的100份重量可包括约65份重量的镍、约20份重量的铬、约8份重量的钼、约3.5份重量的铌与钽的组合物和约4.5份重量的铁，并可从纽约New Hartford的SpecialMetals Corporation以品名
625购得。类似地，耐腐蚀覆层44的合适的合金可包括约54份重量的钴、约26份重量的铬、约9份重量的镍、约5份重量的钼、约3份重量的铁、约2份重量的钨和约1份重量的锰、硅、氮和碳的组合物，并可从印第安纳州Kokomo的HaynesInternational,Inc.以品名购得。此外，合金的其它合适的非限制性的示例可包括可从宾夕法尼亚州Reading的Carpenter TechnologyCorporation以品名
可从印第安纳州Goshen的StelliteCoatings以品名
21、和可从俄亥俄州Cleveland的EatonCorporation以品名EatoniteTMABC-L1购得的合金。
或者，耐腐蚀覆层44的合金可为不锈钢。合适的不锈钢包括但不限于308级、316级、321级和347级奥氏体不锈钢。对于一些应用而言，合适的合金可替代地包括马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、超铁素体不锈钢、双相不锈钢、超双相不锈钢和它们的组合物。
由于耐腐蚀覆层44的合金可包括镍和/或钴，所以耐腐蚀覆层44呈现优异的耐腐蚀性。更具体地，耐腐蚀覆层44在从约-40°C至约50°C的环境温度下可充分耐受来自海水的腐蚀。换而言之，耐腐蚀覆层44使基底12的表面20在暴露于海水之后在空气中的氧化最小化。如文中所用，与淡水相反，术语“海水”指的是具有基于约1万亿份体积的海水约31份体积至约40份体积、即约31ppt至约40ppt（约3.1%至约4%）的盐分和在4°C下约1.025g/ml的密度的水。此外，海水包括从包括氯化物、钠、硫酸盐、镁、钙、钾、碳酸氢盐、溴化物、硼酸盐、锶、氟化物和其组合物的群组中选择的一种或多种离子的溶解盐。海水可包括含盐的盐水和浓盐水。
另外，耐腐蚀覆层44可具有小于或等于-0.200的自然腐蚀电位Ecorr。如文中所用，术语“自然腐蚀电位”指的是相对于基准电极不存在流向海水中的基底12或从基底12流动的净电流。此外，耐腐蚀覆层44可呈现每年小于或等于约0.000254的腐蚀率。如文中所用，术语“腐蚀率”指的是每单位时间腐蚀导致的基底12和/或耐腐蚀覆层44的变化并表达为每年的腐蚀深度增加。因此，耐腐蚀覆层44可呈现最小化的对来自例如点蚀和/或裂纹扩展的局部腐蚀的敏感性。
如图2所示，耐腐蚀覆层44可具有从约0.6mm至约1.6mm、例如约1.3mm的厚度46。此外，耐腐蚀覆层44可限定其基本上平坦的外表面48。亦即，外表面48可具有从约0.1微米至约0.15微米的表面粗糙度Ra，其中1微米等于1×10-6米。如文中所用，术语“表面粗糙度Ra”指的是耐腐蚀覆层44的外表面48的纹理的度量并且指的是外表面48的峰部和谷部（未示出）之间的平均距离。更具体地，耐腐蚀覆层44的外表面48上的微观谷部对应于外表面48上位于均线下方的点。类似地，耐腐蚀覆层44的外表面48上的微观峰部对应于外表面48上位于均线上方的点。因此，这些峰部和谷部之间的距离的测量值决定表面粗糙度Ra。可通过抛光或修整耐腐蚀覆层44来提供外表面48的表面粗糙度Ra，如下文更详细所述。
比较粗糙的表面通常呈现较低的耐磨性并比相对平坦的表面更快地磨损，这是因为表面中诸如峰部和谷部之类的不规则可形成用于裂纹、应力区和/或腐蚀的初始位置。因此，由于外表面48基本上平坦，所以耐腐蚀覆层44呈现优异的平滑度和所致的耐磨和耐腐蚀性。
再参见图2，耐腐蚀覆层44覆盖指示材料42和基底12的表面20。更具体地，耐腐蚀覆层44可在如根据用于覆层的结合强度的ASTM多级剪切试验测定的大于70MPa、例如大于约340MPa的结合强度与指示材料42和表面20各者冶金地结合。前述结合强度使耐腐蚀覆层44的层离最小化，并且对于需要在反复加热和冷却、例如暴露于直射阳光时具有最小化的热膨胀的材料的应用而言可能尤其是有利的。
现参见所述方法，总体参考图1-3描述形成位置测量系统10的方法。该方法包括使由第一材料形成的基底12的表面20熔化，其中表面20在其中限定有至少一个凹槽22，并且表面20在至少一个凹槽22内熔化。亦即，表面20在至少一个凹槽22内、即在至少一个凹槽22的位置熔化。可通过任何已知的工艺使至少一个凹槽22例如多个凹槽22内的表面20熔化。例如，可通过使用具有约2mm的光斑大小的激光器对限定至少一个凹槽22的表面20进行激光焊来使至少一个凹槽22内的表面20熔化。
因此，在熔化前，所述方法可包括加工表面20，以在其中限定多个凹槽22，其中多个凹槽22中的每一个都布置成基本上垂直于纵向轴线14（图1）并沿纵向轴线14的多个凹槽22中相邻的一个间隔开。基底12可被校直并清洁以准备对基底12进行加工。然后可例如使用车床或具有多个切削刀片（未示出）的切削工具来加工基底12的表面20，以限定多个凹槽22。可同时在表面20中加工四个、六个或更多个凹槽22。参见图3，可通过加工基底12得到多个凹槽22，并且所述凹槽22可在例如约1.10mm的上述深度32处延伸到基底内。如图3所示，凹槽22的加工宽度50可小于凹槽22在熔化之后的最终凹槽宽度34。亦即，凹槽22的加工宽度50可为从约1.8mm至约2.0mm，例如约1.9mm，以允许凹槽22在熔化期间稍微膨胀。
再参见图2，所述方法还包括在熔化的同时将第二材料沉积到至少一个凹槽22内，以形成第一材料与第二材料的混合物。亦即，熔化和同时发生的沉积还可限定为在至少一个凹槽22处对表面20进行激光焊，以使得至少一个凹槽22内的表面20随着第二材料沉积而熔化。换而言之，第二材料和限定至少一个凹槽22的表面20可被激光焊，即熔融焊，以使得至少一个凹槽22的一部分熔化并与第二材料混合以形成混合物。例如，可将粉末或线材形式的第二材料喷射到熔化的凹槽22内，以形成第一材料与第二材料的混合物。激光焊接可在各凹槽22内形成液化的熔池，其中该熔池由第一材料与第二材料的混合物形成。因此，可通过改变熔化的第一材料的量和沉积或喷射到至少一个凹槽22内的第二材料的量来控制混合物的组分。
激光焊、即熔化至少一个凹槽22的表面20和同时发生的将第二材料沉积到至少一个凹槽22内可由包括从焊接头发出的激光的激光焊接设备（未示出）执行。激光焊接装置还可包括附接到焊接头上以实现焊接头在多个凹槽22上的精确、自动定位的激光构成的光束跟踪器。这种设备可使在加工期间的加工和定位误差最小化。
至少一个凹槽22的形状可使混合物的收缩开裂和孔隙率最小化。如文中所用，术语“孔隙率”指的是材料内的空隙空间的量并表达为全部材料的百分比。此外，至少一个凹槽22使在激光焊接期间熔化的第一材料的量最小化，这又使得到的第一材料与第二材料的混合物中的铁的量最小化。混合物的这种最小化的铁含量提高了位置测量系统10的耐腐蚀性。
再参见图2，所述方法还包括使混合物固化，以形成可与第一材料相区分并与第一材料冶金地结合的指示材料42。亦即，混合物可在激光焊接完成后硬化，以便固化并形成指示材料42或激光焊缝。由于指示材料42通过使第一材料与第二材料的混合物固化而形成，所以指示材料42被熔融焊接到基底12的第一材料。前述熔化、同时发生的沉积和混合物的固化形成了具有优异的结合强度和最小化的孔隙率的指示材料42。亦即，指示材料42的结合强度可显著大于可呈现从仅约13MPa至约69MPa的结合强度的通过钎焊、焊接、电镀和/或热喷涂形成的比较材料（未示出）的结合强度。指示材料42的提高的结合强度对于需要在反复加热和冷却、例如暴露于直射阳光时具有最小化的热膨胀的材料的应用而言可能是尤其有利的。
继续参见图2，所述方法还包括将合金沉积到基底12上，以形成覆盖指示材料42和表面20的耐腐蚀覆层44，以由此形成位置测量系统10。亦即，沉积合金还可限定为激光熔覆指示材料42和表面20以使得指示材料42和表面20各者熔化并与耐腐蚀覆层44冶金地结合。换而言之，耐腐蚀覆层44可借助于激光熔覆、即熔融焊接到指示材料42和表面20上，以使得指示材料42和表面20的一部分熔化并与合金混合以形成耐腐蚀覆层44。因此，激光熔覆可使合金与基底12和指示材料42各者熔融，以在基底12上形成耐腐蚀覆层44。
激光熔覆、即将合金沉积到基底上以形成耐腐蚀覆层44可由包括从焊接头发出的激光的激光熔覆系统（未示出）执行。耐腐蚀覆层44可沿纵向轴线14在紧密盘旋的路径中沉积到表面20和指示材料42上。例如，基底12可在激光熔覆系统在紧密盘旋的路径中将耐腐蚀覆层44沉积到表面20和指示材料42上的同时转动。
耐腐蚀覆层44可被直接沉积到指示材料42上，以便覆盖指示材料42。因此，该方法不需要在合金沉积以形成耐腐蚀覆层44之前对指示材料42进行中间研磨或加工。该合金可被沉积以使得耐腐蚀覆层44是具有从约1.7mm至约2.0mm、例如约1.8mm至约1.9mm的初步厚度（未示出）的单层。随后，耐腐蚀覆层44可被研磨至从约0.6mm至约1.6mm、例如约1.3mm的厚度46（图2）。
应了解，合金可在如上所述熔融、同时沉积第二材料并使混合物固化之后被沉积到基底12上。或者，所述方法可包括同时熔化、沉积第二材料，并沉积合金。亦即，熔化、沉积第二材料与沉积合金可以是同时发生的。更具体地，第二材料和合金可具有相同的组分，即可为相同的材料，以使得第二材料可在合金被沉积到基底12上时被沉积到至少一个凹槽22内，以形成耐腐蚀覆层44。
所述方法还可包括修整耐腐蚀覆层44，以限定基本上平坦的外表面48。例如，可加工、研磨和/或抛光耐腐蚀覆层44，以使得外表面48具有从约0.1微米至约0.15微米的表面粗糙度Ra。
所述方法还可包括提高耐腐蚀覆层44与指示材料42和第一材料各者之间的结合强度。亦即，由于耐腐蚀覆层44由经由激光熔覆的合金形成，所以耐腐蚀覆层44呈现如上所述的优异结合强度。
在另一实施例中，如参考图1所述，形成位置测量系统10的方法包括加工基底12的表面20，以在其中限定多个凹槽22，其中基底12由第一磁性材料形成并为具有纵向轴线14的圆柱形杆。多个凹槽22中的每一个都沿纵向轴线14互相间隔开。
对于该实施例，所述方法还包括使多个凹槽22中的每一个内的表面20熔化，以由此使多个凹槽22沿纵向轴线均匀地分布。亦即，多个凹槽22中的每一个的表面20可熔化并由此从加工宽度50膨胀至凹槽宽度34，以使每个凹槽22都与相邻凹槽22间隔开并在二者之间限定间隙36。因此，熔化可使多个凹槽22沿纵向轴线14均匀地分布，以使得凹槽宽度34与间隙宽度38的比例为约1:1。
在熔化的同时，所述方法包括将第二非磁性材料沉积在多个凹槽22中的每一个内，以由此形成第一磁性材料与第二非磁性材料的多种相应混合物。所述方法还包括使所述多种相应混合物固化，以形成可与第一磁性材料相区分并与第一磁性材料冶金地结合的非磁性指示材料42。所述方法另外包括将非金属合金沉积到基底12上，以形成耐腐蚀覆层44，该耐腐蚀覆层覆盖非磁性指示材料42和表面20各者并与其冶金地结合，以由此形成位置测量系统10。应了解，熔化、沉积第二非磁性材料和沉积非金属合金可以是同时发生的。所述方法还可包括提高耐腐蚀覆层44与非磁性指示材料42和第一磁性材料各者之间的结合强度。
在操作中，位置测量系统10可与一个或多个传感器（未示出）、例如一个或多个霍尔效应传感器或磁阻传感器相互作用，以指示基底12相对于基准位置的位置。例如，传感器可连续询问位置测量系统10并检测布置在耐腐蚀覆层44下方的指示材料42。具体地，当位置测量系统10平移经过传感器、例如在液压缸内伸出或缩回时，传感器可检测到由于交替的磁性第一材料和非磁性指示材料42的存在而引起的磁场变化，并且可计算位置测量系统10相对于基准位置的位移。当位置测量系统10改变位置时，传感器可以约1mm的精度来检测基底12的位置。如果需要，传感器还可包括用于提高传感器的灵敏度的脉冲乘法器换能器（未示出）。例如，传感器和脉冲乘法器换能器可相结合地以约0.1mm的精度来检测基底12的位置。为了操作期间的冗余，位置测量系统10可与至少两个传感器和两个脉冲乘法器换能器相互作用。
通过如文中所述的方法形成的前述位置测量系统10与其它测量系统（未示出）相比呈现优异的耐腐蚀性，所述其它测量系统包括：诸如镍-铬合金涂层之类的电镀涂层；诸如氧化铬-二氧化钛涂层和氧化铝-二氧化钛涂层之类的热喷涂陶瓷涂层；包括布置在钴、镍-铬合金、或镍粘结剂相中的诸如碳化钨、碳化铬、氧化物和其组合物之类的硬粒子的高速氧燃料气体（HVOF）热喷涂陶瓷涂层；以及等离子喷涂的涂层。因此，位置测量系统10可尤其适合于在延长的使用寿命、例如约15年或更长时间需要连续耐腐蚀性的应用，诸如用于在离岸钻探设备的盐水浪溅区内工作的液压缸的活塞杆。
此外，耐腐蚀覆层44和指示材料42均呈现最小化的孔隙率。例如，耐腐蚀覆层44可具有约0.03%的孔隙率，这可利于减少裂纹并提高耐腐蚀性。亦即，前述孔隙率使耐腐蚀覆层44内的互连路径的形成最小化。这些互连路径可允许腐蚀性元素侵入并危害位置测量系统10的耐腐蚀性。相反，HVOF涂层可具有从约0.5%至约2.0%的孔隙率，并且等离子喷涂的陶瓷涂层可具有从约3.0%至约10%的孔隙率，因此可呈现降低的耐腐蚀性和剥落。
此外，位置测量系统10的耐腐蚀覆层44可以是有韧性的。因此，耐腐蚀覆层44可在比较高的能量冲击时保持不开裂。相反，HVOF涂层和等离子喷涂涂层通常是易碎的并且可能在比较低的能量冲击时严重开裂。
位置测量系统10和相关方法提供了具有优异的硬度和耐腐蚀性的耐腐蚀覆层44。因此，位置测量系统10适合于暴露于海水，例如适合于需要用于在离岸钻探设备的浪溅区内工作的经涂覆的金属基底12的应用。耐腐蚀覆层44是平坦的并呈现优异的压缩残余应力。因此，位置测量系统10呈现提高的疲劳寿命和耐受拉伸升力，以及减少的疲劳裂纹、收缩裂纹和其它裂缝的渗透和蔓延。此外，所述方法是成本经济的，并使耐腐蚀覆层44和指示材料42中诸如裂纹和/或孔隙之类的不连续最小化。
虽然已详细描述用于实施本发明的最佳模式，但熟悉本发明相关领域的技术人员应该认识到用于在所附权利要求的范围内实施本发明的各种替代设计和实施例。
Claims (15)
1.一种形成位置测量系统（10）的方法，所述方法包括：
使由第一材料形成的基底（12）的表面（20）熔化，其中在所述表面（20）中限定有至少一个凹槽（22），并且所述表面（20）在所述至少一个凹槽（22）内熔化；
在熔化的同时将第二材料沉积到所述至少一个凹槽（22）内，以形成所述第一材料与所述第二材料的混合物；
使所述混合物固化，以形成可与所述第一材料相区分并与所述第一材料冶金地结合的指示材料（42）；以及
将合金沉积到所述基底（12）上以形成覆盖所述指示材料（42）和所述表面（20）的耐腐蚀覆层（44），从而形成所述位置测量系统（10）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，熔化和同时发生的沉积进一步限定为：在所述至少一个凹槽（22）处对所述表面（20）进行激光焊，以使得在所述第二材料被沉积时所述至少一个凹槽（22）内的所述表面（20）熔化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，沉积所述合金进一步限定为：激光熔覆所述指示材料（42）和所述表面（20），以使得所述指示材料（42）和所述表面（20）均熔化并与所述耐腐蚀覆层（44）冶金地结合。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括加工所述表面（20）以在所述表面（20）中限定出多个凹槽（22），其中所述基底（12）具有纵向轴线（14），并且所述多个凹槽（22）布置成基本上垂直于所述纵向轴线（14），并且所述多个凹槽（22）中的每一个都沿所述纵向轴线（14）与所述多个凹槽（22）中相邻的一个间隔开。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括提高所述耐腐蚀覆层（44）与所述指示材料（42）和所述第一材料中任一者之间的结合强度。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括修整所述耐腐蚀覆层（44）以限定其外表面（48），其中所述外表面（48）基本上是平坦的。
7.一种形成位置测量系统（10）的方法，所述方法包括：
加工基底（12）的表面（20）以在所述表面（20）中限定出多个凹槽（22），其中所述基底（12）由第一磁性材料形成并为具有纵向轴线（14）的圆柱形杆，并且其中所述多个凹槽（22）中的每一个都沿所述纵向轴线（14）与所述多个凹槽（22）中相邻的一个间隔开；
使所述表面（20）在所述多个凹槽（22）中的每一个内熔化，由此使所述多个凹槽（22）沿所述纵向轴线（14）均匀地分布；
在熔化的同时将第二非磁性材料沉积到所述多个凹槽（22）中的每一个内，由此形成所述第一磁性材料与所述第二非磁性材料的多种相应的混合物；
使所述多种相应混合物固化，以形成可与所述第一磁性材料区分并与所述第一磁性材料冶金地结合的非磁性指示材料（42）；以及
将非磁性合金沉积到所述基底（12）上以形成覆盖所述非磁性指示材料（42）和所述表面（20）并与所述非磁性指示材料（42）和所述表面（20）冶金地结合的耐腐蚀覆层（44），由此形成所述位置测量系统（10）。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括提高所述耐腐蚀覆层（44）与所述非磁性指示材料（42）和所述第一磁性材料中任一者之间的结合强度。
9.一种位置测量系统（10），包括：
基底（12），所述基底（12）由第一材料形成并具有一表面（20），在所述表面（20）中限定有至少一个凹槽（22）；
布置在所述至少一个凹槽（22）内的指示材料（42），其中所述指示材料（42）由第一材料与第二材料的混合物形成，并可与所述第一材料相区分并与所述第一材料冶金地结合；以及
耐腐蚀覆层（44），所述耐腐蚀覆层（44）由合金形成并且布置在所述基底（12）上以便覆盖所述指示材料（42）和所述表面（20）。
10.根据权利要求9所述的位置测量系统（10），其中，所述耐腐蚀覆层（44）以大于约70MPa的结合强度与所述指示材料（42）和所述表面（20）中任一者冶金地结合。
11.根据权利要求9所述的位置测量系统（10），其中，所述至少一个凹槽（22）为V形并限定具有从约0.3mm至约0.7mm的半径的基本上圆形的顶部（24）。
12.根据权利要求9所述的位置测量系统（10），其中，所述第一材料是磁性的并且所述耐腐蚀覆层（44）和所述指示材料（42）均是非磁性的。
13.根据权利要求9所述的位置测量系统（10），其中，所述基底（12）是具有纵向轴线（14）的圆柱形杆。
14.根据权利要求13所述的位置测量系统（10），其中，在所述表面（20）中限定有沿所述纵向轴线（14）均匀地分布的多个凹槽（22），并且其中所述多个凹槽（22）中的每一个都布置成基本上垂直于所述纵向轴线（14）。
15.根据权利要求14所述的位置测量系统（10），其中，所述多个凹槽（22）中的每一个都以约0.09mm至约1.3mm的深度（32）从所述表面（20）延伸到所述基底（12）内并具有从约1.9mm至约2.1mm的凹槽宽度（34），并且其中两个相邻的凹槽（22）之间限定具有从约1.9mm至约2.1mm的间隙宽度（38）的间隙（36）。
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