CN103484852A - 一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备wc硬质合金耐磨层的方法 - Google Patents
一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备wc硬质合金耐磨层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，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。该方法激光束的功率、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得到广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，特别是一种在钻井装置石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法。
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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法。该方法采用高功率CO2激光器熔覆制备与基体形成冶金结合的WC硬质合金耐磨层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀及抗热裂特性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，包括以下过程：
（1）壳体表面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
选用镍基合金粉末作为打底层；
选用球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末与作为工作层；WC重量百分数≥60%；
调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末落在激光熔池内；
调节送粉量，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.5-1.2mm；
（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激光模式，然后利用高功率CO2激光器熔覆打底合金；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
采取以下两种加工方式中的一种或两种：
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%；
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；具体工艺参数如下：
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，表面平整。
作为本发明进一步的方案：步骤（2）中镍基合金粉末按重量百分比的化学成份为：C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.4%、Nb：3.8%，余量为Ni；Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末按重量百分比的化学成份为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，余量为Ni；调节送粉量，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.8mm。
作为本发明进一步的方案：步骤（3）中高功率激光器熔覆打底合金涂层，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 350
熔覆功率P=4000W
光斑直径D=2.5mm
熔覆扫描速度V=900mm/min
搭接率50%。
作为本发明进一步的方案：步骤（4）高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末，采取以下两种加工方式中的一种或两种：
1）窄带熔覆加工的具体工艺参数如下：
熔覆功率P=2000W
光斑直径D=2mm
熔覆扫描速度V=200m/min
搭接率50%；
2）宽带熔覆加工的具体工艺参数如下：
熔覆功率P=6000W
光斑大小长X宽=10X1mm
熔覆扫描速度V=400m/min
搭接率50%。
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。
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；
（3）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；
（4）选用与17-4PH结合性好的IN625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；
（5）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；与常规的表面涂覆工艺相比较，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；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得到广泛的应用。因此，采用激光熔覆技术将产生显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，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IN625镍基合金粉末作为打底层；IN625镍基合金粉末按重量百分比的化学成份为：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与作为工作层；WC重量百分数为60%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末为已知技术，其按重量百分比的化学成份为：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，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.5mm；
（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激光器熔覆打底合金；具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 300
熔覆功率P=3000W
光斑直径D=2mm
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
采取以下两种加工方式中的一种或两种：
1）窄带熔覆加工
采取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=1500W
光斑直径D=1.2mm
熔覆扫描速度V=100m/min
搭接率40%；
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=5000W
光斑大小长X宽=10X1mm
熔覆扫描速度V=300m/min
搭接率40%；
（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
本发明实施例中，一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，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IN625镍基合金粉末作为打底层；IN625镍基合金粉末按重量百分比的化学成份为：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与作为工作层；WC重量百分数为80%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末为已知技术，其按重量百分比的化学成份为：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0.8mm；
（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激光器熔覆打底合金；具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 350
熔覆功率P=4000W
光斑直径D=2.5mm
熔覆扫描速度V=900mm/min
搭接率50%；
（5）高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末
采取以下两种加工方式中的一种或两种：
1）窄带熔覆加工
采取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=2000W
光斑直径D=2mm
熔覆扫描速度V=150m/min
搭接率50%；
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=6000W
光斑大小长X宽=10X1mm
熔覆扫描速度V=400m/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
本发明实施例中，一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，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IN625镍基合金粉末作为打底层；IN625镍基合金粉末按重量百分比的化学成份为：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与作为工作层；WC重量百分数为90%，Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末为已知技术，其按重量百分比的化学成份为：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，使合金粉末涂层的单层厚度达到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激光器熔覆打底合金；具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 400
熔覆功率P=5000W
光斑直径D=3mm
熔覆扫描速度V=1200mm/min
搭接率60%；
（5）高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末
1）窄带熔覆加工
采取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=7000W
光斑大小长X宽=10X1mm
熔覆扫描速度V=500m/min
搭接率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。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特征在于，包括以下过程：
壳体表面加工部位进行除油处理；
合金粉末的选择和自动送粉装置的调节
选用镍基合金粉末作为打底层；
选用球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末与作为工作层；WC重量百分数≥60%；
调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末落在激光熔池内；
调节送粉量，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.5-1.2mm；
（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激光模式，然后利用高功率CO2激光器熔覆打底合金；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%；
高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末
采取以下两种加工方式中的一种或两种：
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%；
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；具体工艺参数如下：
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%；
熔覆后探伤检验：要求加工部位无肉眼可见裂纹、气孔，表面平整。
2.根据权利要求1所述的在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特征在于，步骤（2）中镍基合金粉末按重量百分比的化学成份为：C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.4%、Nb：3.8%，余量为Ni；Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末按重量百分比的化学成份为：C：0.32%、Cr：3%、Fe：3%、Si：3.7%，余量为Ni；调节送粉量，使合金粉末涂层的单层厚度达到0.8mm。
3.根据权利要求1所述的在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特征在于，步骤（3）中高功率激光器熔覆打底合金涂层，具体工艺参数如下：
聚焦镜f = 350
熔覆功率P=4000W
光斑直径D=2.5mm
熔覆扫描速度V=900mm/min
搭接率50%。
4.根据权利要求1所述的在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备WC硬质合金耐磨层的方法，其特征在于，步骤（4）高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末，采取以下两种加工方式中的一种或两种：
1）窄带熔覆加工的具体工艺参数如下：
熔覆功率P=2000W
光斑直径D=2mm
熔覆扫描速度V=200m/min
搭接率50%；
2）宽带熔覆加工的具体工艺参数如下：
熔覆功率P=6000W
光斑大小长X宽=10X1mm
熔覆扫描速度V=400m/min
搭接率50%。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201310377477.7A CN103484852A (zh) | 2013-08-27 | 2013-08-27 | 一种在石油钻具稳定器表面激光熔覆制备wc硬质合金耐磨层的方法 |
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