CN106001924A - 定向井钻井工具中冲蚀磨损精密件的激光增材再造与抗冲蚀表面强化 - Google Patents

Abstract

用激光焊接增材再造材料工艺方法修复石油定向井钻井工具系统中经受冲蚀气蚀腐蚀损伤的精密工件。给出了 激光焊接增材修复用的特种合金成分。激光焊接增材修复时用脉冲激光焊接机，脉冲波形设定为前高功率‑中段降至40‑60%功率的波形，脉宽在6‑12ms (毫秒)范围。为提高这类石油定向井钻井工具中经受介质过流腐蚀冲蚀的精密工件的抗腐蚀冲蚀性能，用高速火焰喷涂工艺，在这类工件的经受介质腐蚀冲蚀的部位喷涂碳化物金属陶瓷涂层。给出了涂层材料成分。

Description

定向井钻井工具中冲蚀磨损精密件的激光增材再造与抗冲蚀 表面强化

技术领域

本项申请属于高新材料工艺技术领域，特别涉及特种合金激光增材再造与无磁耐磨耐冲蚀表面涂层强化科学技术。

背景技术

定向井技术是使钻井井身沿着预先设计的井斜和方位钻达目的地层的钻井方法。是当今世界石油勘探开发领域最先进的钻井技术之一，它是以特殊功能的井下工具、测量仪器和工艺技术有效控制井眼轨迹，使钻头沿着特定方向钻进，到达地下预定目标的钻井工艺技术。采用定向井技术可以使地面条件和/或地下条件受到限制的油气资源得到有效的开发，能够大幅度提高油气产量和降低钻井成本，且有利于保护自然环境，具有显著的经济效益和社会效益。定向井钻井器具中的特殊工具与导流器件，电子器件的保护与安装套件，测量仪器的阀件等在钻井过程中经受含有硫化物、氯化物、硅酸盐、碳酸盐以及泥沙的泥浆流的冲蚀、气蚀与腐蚀。一些工件工作一段时间后常由于严重的冲蚀、气蚀、磨损和腐蚀损伤导致工件不能继续使用。这些工件往往形状结构复杂，加工制作工艺难度较大，且为了保证钻井测量，还要求制作这些工件的材料要“无磁”（相对磁导率低于1.005,有些件要低于1.001），要以特种合金制造。这类工件价格昂贵，有较高的修复价值。但，件的结构形状复杂、配合部位精度较高，常规焊接（如氩弧焊等）增材工艺，热影响区较大往往导致变形，甚至由于相变甚至导致磁导率上升，不能满足继续使用而报废。有些工件内部还装有电子线路板、精密阀件，接近电子线路板和精密阀件的部位受热温度不能超过100℃，修复时又不能拆掉，以常规焊接工艺增材修复难以保证。过往这类工件在严重冲蚀磨损损伤后不再修复而报废，造成一定的经济和贵重材料的损失。因此有必要研究开发新的焊接增材工艺与相应的合金材料相结合修复这类以特种合金制造的定向井特殊钻井工具器件。

发明内容

1 适用于定向井特殊井下工具激光焊接增材修复用的特种合金

鉴于这类井下工具，特别是各种阀类和导流部件以及流体动力马达、导向叶轮与驱动叶轮等在工作过程中将经受含有硫化物、氯化物、硅酸盐、碳酸盐以及泥沙的流体介质的腐蚀与冲蚀作用，且要“无磁”的要求，用于这类工件激光焊接增材修复用的特种合金为富镍的镍-铬（Ni-Cr）基合金。加入合金元素钼（Mo），作为进一步合金化元素，对镍铬合金基体起到强化作用，并提高合金的耐腐蚀性能。铬和钼的含量应保证得到的合金基体为具有面心立方晶格结构的γ相基体。加入适量的合金元素铝（Al）和钛（Ti），在合金中形成γ′相（γprime phase）。γ′相同样有面心立方晶格结构，且与基体γ相有共格关系，对合金起到强化作用，有利于提高合金的抗冲蚀性能，并能提高合金的抗氧化稳定性和耐腐蚀性能。加入适量的合金元素铌（Nb），可形成与γ相基体有共格关系的γ〞相（γtwo prime phase）,起强化作用。同时合金成分设计还应考虑合金有较好的工艺性：好的激光焊接增材工艺性。这样具有面心立方晶格结构的γ相基体，有γ′相和γ〞相强化的富镍的镍-铬（Ni-Cr）基合金有较好的耐腐蚀、耐冲蚀、磁导率低于1.001的合金材料。适用于定向井特殊井下工具激光焊接增材修复用的特种合金成分为（元素含量的质量百分数， wt.%）：

镍（Ni）：50-60 wt.% ; 铬（Cr）：15-30wt.%; 铁（Fe）：5.0-20 wt.%； 钼（Mo）：1.5-4.5wt.%;

铌（Nb）：3.0-6.0 wt.%; 钛（Ti）：0.5-2.0 wt.%; 铝（Al）：0.1-1.5wt.%; 锰（Mn）：小于0.35wt.%; 硅（Si）：小于0.35wt.%; 碳（C）：小于0.50 wt.%; 硫（S）：小于0.035wt.%;磷（P）：小于0.35wt.%。

这种合金这里暂定名为SL-5。

2 符合于上述成分的SL-5合金制成直径为：0.3-0.6mm的合金丝。

3 选用波长在1064nm、功率在200-600W的脉冲激光焊接机。其脉冲激光的脉宽可在2ms-15ms(毫秒)，脉冲频率可在5-20Hz范围内调整。脉冲波形可根据需要调整设定。

4 激光焊接增材修复工艺：

4-1 对待修复工件进行表面清理，确认该工件材料为“无磁”镍基合金，进行探伤，确认损伤、缺损情况，并确认没有裂纹。若有裂纹必须将裂纹清根。确认激光可见性。准备进行修复。

4-2 选定波长在1064nm、功率在200-600W的脉冲激光焊接机，调整设定所需的功率、波形、脉宽、频率。在镍基合金的这类工件，以本项申情给出的SL-5合金丝作为填充合金时，脉冲波形应选为前高功率-中段降至40-60%功率的波形（参见说明书附图3），脉宽在6-12ms (毫秒)范围。

4-3 激光焊接增材：以与激光功率相匹配的直径的SL-5合金丝作为填充合金；调整好焦距、光斑；以氩气作为保护气体，保护待焊接增材部位； 进行激光焊接增材修复。

激光焊接增材修复后，进行必要的机械加工，达到工件要求。

5 抗冲蚀表面强化：

为提高这类石油定向井钻井工具中经受介质过流腐蚀冲蚀的精密工件的抗腐蚀冲蚀性能，用高速火焰喷涂（HVOF Spray，俗称：超音速喷涂）工艺，在这类工件的经受介质腐蚀冲蚀的部位喷涂碳化物金属陶瓷涂层。涂层材料成分（元素含量质量百分数，wt.%）为：

铬（Cr）：50-70wt.%; 钨（W）；15-25wt.%；镍（Ni）；10-20wt.%；碳（C）；7.0-10.0wt.%。

实施实例：

冲蚀损伤的石油定向井钻井井下工具系统中分流器-导流阀的脉冲激光焊接增材修复。

说明书附图1 给出清理后的被冲蚀损伤的石油定向井钻井井下工具中一种分流器-导流阀的照片。从照片上可清楚的看到冲蚀损伤部位。该导流阀是以一种镍基合金制作。在导流管口内可清楚的看到，管内有精密阀件和传感器（参见说明书附图2 清理后的被冲蚀损伤的石油钻井井下工具分流器-导流阀的导管内有精密阀件和传感器）。若用氩弧焊等常规焊接增材修复，由于热影响区较宽，将导致精密阀件和传感器受热损坏。为此，用脉冲激光焊接增材修复。

脉冲激光焊接增材修复时，用直径0.4mm的本项申情给出的SL-5合金丝作为填充合金，用300W的

Nd：YAG脉冲激光焊接机，脉冲波形设定如说明书附图3所示，是一种前高功率的脉冲波形，脉宽10ms(毫秒)，频率8Hz，在氩气保护下进行激光焊接增材。说明书附图4给出工件冲蚀损伤部位激光焊接增材后的形貌。

脉冲激光焊接增材修复后，按图纸机械加工到要求的形状尺寸。

经检查后确认无缺陷，在经受冲蚀磨损的部位以高速火焰喷涂耐磨耐冲蚀无磁碳化物金属陶瓷涂层。

附图说明

图1是清理后的被冲蚀损伤的石油钻井井下工具中一种分流器-导流阀的照片的图。

图2 是清理后的被冲蚀损伤的石油钻井井下工具中一种分流器-导流阀的导管内有[00026]精密阀件和传感器的图。

图3是脉冲激光焊接增材时所用的脉冲波形的图。

图4是脉冲激光焊接增材后石油钻井井下工具分流器-导流阀激光焊接增材部位的照片的图。

Claims (5)

1.用激光焊接增材再造材料工艺方法修复石油定向井钻井工具系统中经受冲蚀气蚀腐蚀损伤的精密工件。

2.激光焊接增材修复用的特种合金成分为（元素含量质量百分数， wt.%）：镍（Ni）：50-60 wt.% ; 铬（Cr）：15-30wt.%; 铁（Fe）：5.0-20 wt.% 钼（Mo）：1.5-4.5wt.%; 铌（Nb）：3.0-6.0 wt.%; 钛（Ti）：0.5-2.0 wt.%; 铝（Al）：0.1-1.5wt.%; 锰（Mn）：小于0.35wt.%;硅（Si）：小于0.35wt.%; 碳（C）：小于0.50 wt.%; 硫（S）：小于0.035wt.%; 磷（P）：小于0.35wt.%。

3.激光焊接增材修复时用脉冲激光焊接机，脉冲波形设定为为前高功率-中段降至40-60%功率的波形（参见说明书附图3），脉宽在6-12ms (毫秒)范围。

4.为提高这类石油定向井钻井工具中经受介质过流腐蚀冲蚀的精密工件的抗腐蚀冲蚀性能，用高速火焰喷涂（HVOF Spray，俗称：超音速喷涂）工艺，在这类工件的经受介质腐蚀冲蚀的部位喷涂碳化物金属陶瓷涂层。

5.涂层材料成分（元素含量质量百分数，wt.%）为：铬（Cr）：50-70wt.%; 钨（W）：15-25wt.%；镍（Ni）：10-20wt.%；碳（C）：7.0-10.0wt.%。