CN103205749B

CN103205749B - 一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN103205749B
Application number: CN201310152028.2A
Authority: CN
Inventors: 尹衍升; 董丽华; 刘伯洋; 黄雨舟; 王东胜; 范春华; 李运明; 刘红斌
Original assignee: SHANGHAI TIANHE OIL ENGINEERING Co Ltd; Shanghai Maritime University
Current assignee: SHANGHAI TIANHE OIL ENGINEERING CO., LTD.
Priority date: 2013-04-27
Filing date: 2013-04-27
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: CN103205749A

Abstract

本发明公开了一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层及其制备方法，该涂层包含镍合金粘结相和球形碳化钨，其中球形碳化钨的体积百分比为50%～60%。球形碳化钨为铸造碳化钨，是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒。镍合金粘结相按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍。镍合金粘结相中还含有均匀分布的等轴状镍钨固溶体，固溶体中溶解钨元素的质量分数少于30%。涂层中还含有等轴状结构的镍晶粒，和少量的δ-Ni₂Si相。本发明还提供了该涂层的制备方法。本发明制备的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，性能更好、质量更高、寿命更长，能够解决钻采工具使用时耐磨耐腐蚀性不好的问题。

Description

一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，具体地，涉及一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层及其制备方法。

背景技术

由于钻井技术的不断进步和勘探开发的需要，深井、超深井、大斜度井以及水平井大量出现，采油工具的摩擦扭矩和摩擦阻力都显著增大，这些恶劣的工况条件要求工件表面必须具备较高的耐磨损性能。在腐蚀方面，近几十年来，含硫化氢腐蚀、二氧化碳介质的油气田相继出现，对套管以及其它井下设备的腐蚀问题越来越引起人们的关注。硫化氢水溶液不仅对钢材产生化学腐蚀，而且在电化学腐蚀过程中生成能够被钢铁吸收的氢原子，破坏其材料结构的连续性，从而导致氢损伤，通常表现为硫化物应力开裂、氢诱发裂纹和氢鼓泡等形式的破坏。另外，二氧化碳溶入水后形成碳酸，释放出氢离子。氢离子是强去极化剂，极易夺取电子还原，促进金属溶解而导致腐蚀，进而引起的材料破坏，降低材料使用寿命。因此，磨损与腐蚀的综合作用，不仅给油气田的开发、生产造成巨大的经济损失，同时也造成了环境污染，并威胁着人身安全。

为了保证设备的长期安全运转，合理的材料选择与制备是最重要的一环。一些工件在工作面采用镶嵌硬质合金块的方式来提高耐磨性能，进而显著提高使用寿命，如对钻柱起着扶正和支点作用的稳定器。但也存在不足：（1）现场使用发现硬质合金块脱落现象十分严重。这种现象不仅造成稳定器寿命缩短，更严重的是，脱落的硬质合金块掉入井内后，增大钻头磨损速度，降低钻头寿命与钻井速度，最终导致钻井成本增加。（2）钢材基体被磨成沟槽。硬质合金块与基体材料在硬度上出现显著差异，硬质合金块实测硬度大于HRC60，而基体材料硬度为HRC30~37，因此基体材料出现较大磨损。部分基体材料已磨出较深沟槽，导致合金块的脱落和折断。（3）钢材基体在硫化氢与二氧化碳介质中存在腐蚀，更容易出现磨损，造成合金块脱落失效。

表面涂层技术是解决上述问题的一种简便、有效的方法。涂层不但能够大幅度地提高工件表面的使用性能，还可以对失效工件进行修复，节省材料和能源。激光熔敷与等离子转移弧堆焊是两种常用的涂层制备手段，它们的优点是能量密度大，加热集中，熔透能力强，可以高速制备涂层，生产率高。其对基体的热影响小，稀释率低，使得工件在制备过程中变形小，工艺可控性强。而且获得涂层的组织致密，微观缺陷少，涂层与基体为冶金结合，强度高。涂层原料多为镍基碳化钨合金粉，其中碳化钨为硬质相，起耐磨作用，镍合金为粘结相，起粘结碳化钨的作用。涂层具有耐高温、抗热裂、耐冲击、耐磨损、耐腐蚀等优异性能。

目前国内已有关于镍基碳化钨涂层的一些专利。例如：中国专利92108749.7提到使用500~1200μm的烧结碳化钨作为硬质相，Ni基合金等做为粘结相，激光作为热源制备涂层。中国专利200710069010.0使用0.1~20μm的介孔空心碳化钨球与吸光剂碳素墨水混合，在基体表面激光熔覆制备涂层。通过基体表面加热熔化，将碳化钨粘结在基体表面，因此厚度有限，而且碳素墨水的残留可能使涂层出现气孔、裂纹等缺陷。中国专利201210047014.X采用球形碳化钨与一定成分的钨合金，通过激光熔覆的方法制备涂层，涂层厚度为1~1.5mm。中国专利201010157959.8采用直径为50~150μm、含量为5~50%的球形铸造碳化钨与镍基自熔性粉末，通过激光熔覆的方法制备了涂层。类似的，中国专利200780049890.3采用球形碳化钨与合金，通过堆焊的方式制备涂层。

以上专利中，对原料中硬质相、粘结相的一些基本性能都缺乏详细的描述。而且，激光熔覆方法都是事先将镍基碳化钨合金粉涂覆于金属基体表面，然后再通过激光加热来获得涂层，但预置涂层的厚度与质量一般难以精确控制，进而会影响熔覆后涂层质量。涂层中碳化钨硬质相含量都低于50%，耐磨性能没有实现最优化。

因此，性能更好、质量更高、寿命更长的涂层则需要原料与工艺的精确设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于提高设备耐磨耐蚀性能的镍基球状碳化钨涂层，性能优良、先进实用，克服钻采工具材料表面涂层性能差与使用寿命短的不足。

为了达到上述目的，本发明提供了一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，该涂层包含镍合金粘结相（又称镍合金基体）和球形碳化钨，其中球形碳化钨的体积百分比为50%～60%；所述的球形碳化钨为铸造碳化钨，是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒；所述的镍合金粘结相按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍；所述的镍合金粘结相中还含有均匀分布的等轴状镍钨固溶体，直径范围在5~10μm、0.5~2μm两个区间内分布；所述固溶体中溶解钨元素的质量分数少于30%。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层中还含有等轴状结构的镍晶粒，其尺寸范围为1~5μm。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层中存在少量的δ-Ni₂Si相。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层中存在少量的微裂纹，可以缓解应力集中，防止涂层破坏。根据ASTME2109标准，所述的微裂纹与涂层内的孔隙率总量不超过体积百分比的5%。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层中不存在平行于涂层方向的横向裂纹。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层的厚度可控，为0.5~3mm。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其中，所述的涂层通过送粉式激光熔覆或等离子转移弧堆焊工艺制备。

本发明还提供了一种制备上述镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的方法，其特征在于，所述的方法包含：步骤1，将待涂布的金属试件喷砂处理，除去试件表面的氧化皮及油污等杂质；步骤2，利用激光或等离子转移弧作为热源，由送粉器向激光光斑或电弧的中心位置吹送镍基碳化钨合金粉，激光或等离子转移弧产生的高温将粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着激光光斑或电弧与工件的相对移动，热源离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金涂层，从而实现工件表面的强化与硬化；步骤3，将制备好的涂层进行适当的喷砂或打磨处理，除去表面少量的氧化熔渣和未熔粉末。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的制备方法，其中，步骤2所述的镍基碳化钨合金粉，含有表面包覆有一层厚度为5~10μm的金属镍的球形碳化钨颗粒；所述的球形碳化钨颗粒是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的硬质球形颗粒，其直径范围为40~130μm。

上述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的制备方法，其中，所述的镍基碳化钨合金粉中还含有直径为60~150μm的球形镍合金颗粒作为粘结相；所述的镍合金颗粒按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍。

本发明提供的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层及其制备方法具有以下优点。

（1）硬质相球形碳化钨具有共晶组织，强度高，球形结构耐压，涂层更耐磨。

（2）球形合金粉流动性好，工艺可控性好，涂层容易致密。

（3）碳化钨球直径在40~130μm，堆积更紧密，在涂层中整体含量可达50%～60%。

（4）球形碳化钨无棱角，无应力集中，在实际使用时耐磨性好，且不易破坏。

（5）球形碳化钨表面包覆镍金属，具有良好的润湿性，结合力好，不易脱落。

（6）涂层镍合金粘结相主要为等轴状镍钨固溶体、镍，不存在枝晶状、网状结构，因此涂层韧性和抗冲击性能好，耐硫化氢、二氧化碳腐蚀性能好。

附图说明

图1为本发明的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的微观形貌示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

如图1所示，本发明提供的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，包含镍合金粘结相（又称镍合金基体）和球形碳化钨，其中球形碳化钨的体积百分比为50%～60%。

球形碳化钨为铸造碳化钨，是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒。

镍合金粘结相按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍。

镍合金粘结相中还含有均匀分布的等轴状镍钨固溶体，直径范围在5~10μm、0.5~2μm两个区间内分布，固溶体中溶解钨元素的质量分数少于30%。

涂层中还含有等轴状结构的镍晶粒，其尺寸范围为1~5μm。

涂层中另外也存在少量的δ-Ni₂Si相。

涂层中存在少量的微裂纹，可以缓解应力集中，防止涂层破坏。根据ASTME2109标准，微裂纹与涂层内的孔隙率总量不超过体积百分比的5%，且不存在平行于涂层方向的横向裂纹。

涂层的厚度可控，为0.5~3mm。

涂层通过送粉式激光熔覆或等离子转移弧堆焊工艺制备。

本发明还提供了一种制备上述镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的方法，包含：步骤1，将待涂布的金属试件喷砂处理，除去试件表面的氧化皮及油污等杂质；步骤2，利用激光或等离子转移弧作为热源，由送粉器向激光光斑或电弧的中心位置吹送镍基碳化钨合金粉，激光或等离子转移弧产生的高温将粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着激光光斑或电弧与工件的相对移动，热源离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金涂层，从而实现工件表面的强化与硬化；步骤3，将制备好的涂层进行适当的喷砂或打磨处理，除去表面少量的氧化熔渣和未熔粉末。

其中的镍基碳化钨合金粉含有表面包覆有一层厚度为5~10μm的金属镍的球形碳化钨颗粒。该球形碳化钨颗粒是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的硬质球形颗粒，其直径范围为40~130μm。

镍基碳化钨合金粉中还含有直径为60~150μm的球形镍合金颗粒作为粘结相；该镍合金颗粒按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍。

实施例1：选用镍基碳化钨合金粉，其中镍合金中Si、B含量分别为3%，球形碳化钨直径为40~130μm。将金属试件喷砂处理，利用激光作为热源制备涂层。具体参数为：激光功率为2.5kW，光斑直径为6mm，扫描速度为180mm/min，搭接率为20%，送粉率为20g/min。将镍基球形碳化钨合金粉熔覆完成后，进行适当的喷砂处理，得到光亮的涂层。

实施例2：选用镍基碳化钨合金粉，其中镍合金中Si、B含量分别为3%，球形碳化钨直径为40~130μm。将金属试件喷砂处理，利用激光作为热源制备涂层。具体参数为：激光功率为2kW，光斑直径为6mm，扫描速度为150mm/min，搭接率为30%，送粉率为18g/min。将镍基球形碳化钨合金粉熔覆完成后，进行适当的喷砂处理，得到光亮的涂层。

实施例3：选用镍基碳化钨合金粉，其中镍合金中Si、B含量分别为3%，球形碳化钨直径为40~130μm。将金属试件喷砂处理，利用激光作为热源制备涂层。具体参数为：激光功率为1.5kW，光斑直径为6mm，扫描速度为120mm/min，搭接率为40%，送粉率为12g/min。将镍基球形碳化钨合金粉熔覆完成后，进行适当的喷砂处理，得到光亮的涂层。

实施例4：选用镍基碳化钨合金粉，其中镍合金中Si、B含量分别为3%，球形碳化钨直径为40~130μm。将金属试件喷砂处理，利用等离子转移弧作为热源制备涂层。转移弧电流与电压分别为120A、30V，送粉量为30g/min，线速度为25mm/min，摆宽为25mm，摆频为40r/min。将镍基球形碳化钨合金粉堆焊完成后，进行适当的喷砂处理，得到光亮的涂层。

实施例5：选用镍基碳化钨合金粉，其中镍合金中Si、B含量分别为3%，球形碳化钨直径为40~130μm。将金属试件喷砂处理，利用等离子转移弧作为热源制备涂层。转移弧电流与电压分别为120A、30V，送粉量为30g/min，线速度为20mm/min，摆宽为25mm，摆频为40r/min。将镍基球形碳化钨合金粉堆焊完成后，进行适当的喷砂处理，得到光亮的涂层。

本发明提供的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，使用含有球形镍合金颗粒与镍包覆球形共晶碳化钨颗粒的合金粉为原料，利用激光或等离子转移弧作为热源，以送粉的方式向激光光斑或电弧的中心位置吹送镍基碳化钨合金粉，通过粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，形成一层具有冶金结合的高性能涂层。涂层的微裂纹与孔隙率总量不超过5%，且涂层中不存在平行于涂层方向的横向裂纹，晶粒尺寸与显微结构分布均匀，主要由镍合金粘结相和球形碳化钨两部分组成，其中硬质相球形碳化钨的体积分数为50%～60%，颗粒直径主要分布在40~130μm。镍合金粘结相中含有均匀分布的等轴状镍钨固溶体、镍晶粒、少量δ-Ni2Si相。涂层具有较好的耐磨性与抗硫化氢、二氧化碳腐蚀性能。该镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，性能更好、质量更高、寿命更长，解决了钻采工具使用时耐磨耐腐蚀性不好的问题。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其特征在于，该涂层包含镍合金粘结相和球形碳化钨，其中球形碳化钨的体积百分比为50%～60%；所述的涂层通过镍基碳化钨合金粉制备，所述的镍基碳化钨合金粉，含有表面包覆一层厚度为5~10μm的金属镍的球形碳化钨颗粒；所述的镍基碳化钨合金粉中还含有直径为60~150μm的球形镍合金颗粒作为粘结相；

所述的涂层中的球形碳化钨为铸造碳化钨，是由碳化钨与碳化二钨组成的具有层片羽毛状共晶组织的球形颗粒；所述的球形碳化钨的颗粒直径范围为40~130μm；

所述的涂层中的镍合金粘结相按质量百分比计，包含2~5%的硅、2~5%的硼、不超过2%的铁和不超过0.02%碳，余量为镍；

所述的涂层中的镍合金粘结相中还含有均匀分布的等轴状镍钨固溶体，直径范围在5~10μm、0.5~2μm两个区间内分布；所述固溶体中溶解钨元素的质量分数少于30%。

2.如权利要求1所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其特征在于，所述的涂层中还含有等轴状结构的镍晶粒，其尺寸范围为1~5μm。

3.如权利要求1所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其特征在于，所述的涂层中存在δ-Ni₂Si相。

4.如权利要求1所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其特征在于，所述的涂层中存在微裂纹，所述的微裂纹与涂层内的孔隙率总量不超过体积百分比的5%。

5.如权利要求4所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层，其特征在于，所述的涂层中不存在平行于涂层方向的横向裂纹。

6.如权利要求1所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述的涂层的厚度为0.5~3mm。

7.如权利要求1所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述的涂层通过送粉式激光熔覆或等离子转移弧堆焊工艺制备。

8.一种制备如权利要求1~7中任意一项所述的镍基球状碳化钨耐磨耐蚀涂层的方法，其特征在于，所述的方法包含：

步骤1，将待涂布的金属试件喷砂处理，除去试件表面的氧化皮及油污杂质；

步骤2，利用激光或等离子转移弧作为热源，由送粉器向激光光斑或电弧的中心位置吹送镍基碳化钨合金粉，激光或等离子转移弧产生的高温将粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散，随着激光光斑或电弧与工件的相对移动，热源离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金涂层；

步骤3，将制备好的涂层进行适当的喷砂或打磨处理，除去表面少量的氧化熔渣和未熔粉末。