CN106480448A

CN106480448A - 一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法

Info

Publication number: CN106480448A
Application number: CN201510552179.6A
Authority: CN
Inventors: 张冬雪; 陈海涛
Original assignee: Shenyang Continental Laser Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Shenyang Continental Laser Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-08

Abstract

一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法，包括：大位移井减阻减扭工具表面预处理，在室温下对大位移井减阻减扭工具表面进行除油去锈处理；选用专制的镍基合金粉末，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 0.8 — 1.2mm ；耐磨抗蚀涂层激光熔覆，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿轴向进给，大位移井减阻减扭工具按设定转速旋转，在水平辊外表面形成均匀致密的激光熔覆层；后续热处理，激光宽带熔覆镍基合金后要慢速缓冷，减阻减扭工具用保温棉充分包裹，在室温下进行去应力退火。

Description

一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种大位移井钻井设备的修复方法，特别是涉及一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法。

背景技术

大位移井减阻减扭工具是大位移井钻井技术中的重要设备之一，其承担了所有的原本由钻杆结箍所承担的侧向力。在大位移井中，摩阻和扭矩随着井深的增加也逐渐增加。大位移井钻具长时间在高扭矩和高摩阻条件下工作，严重影响钻杆的使用寿命，同时加大了井下事故和复杂情况发生的几率。全井摩阻扭矩较大，易发生卡钻、钻具扭断等恶性事故，因此研究减阻减扭（即减摩阻减扭矩）技术尤显重要。

大位移井减阻减扭工具工作时不仅承受复杂且强大的力学载荷，而且受到高温下乳浊液和泥浆的腐蚀、进入乳浊液中硬质颗粒的磨损和腐蚀。因此大位移井减阻减扭工具通常采用耐磨钢制造，而其工作表面通常采用电镀耐磨防腐蚀的镀层来满足耐磨抗蚀功能，镀层材料一般为铜锡合金或铬等。由于电镀镀层与基材之间为物理结合，结合力不高，在大位移井减阻减扭工具长期工作时经常发生镀层脱落，易发生卡钻、钻具扭断等恶性事故。同时电镀工艺还存在着排污引起环境污染的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究改进，给出了一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法，该工艺采用具有良好的抗腐蚀性和耐磨性的合金粉末作为激光熔覆合金材料，采取激光熔覆方法将具有耐磨抗蚀性能的合金粉末均匀地熔覆在大位移井减阻减扭工具的工作表面上，形成均匀致密的耐磨冶金结合涂层，耐蚀性以及耐磨性均大大提高，从而提高钻具使用寿命。

本发明的目的是这样实现的：一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法，包括以下工艺步骤。

1. 大位移井减阻减扭工具表面预处理。

在室温下采用200~300g/l的H₂SO₄与100~120g/l的HCl的混合液对大位移井减阻减扭工具表面进行除油去锈处理。

2. 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镍基合金粉末。

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0.8—1.2mm。

上述的调节自动送粉装置已在再先专利申请文件中公开，申请号为：200720013899.6，专利名称为《多料仓送粉器》。

3. 耐磨抗蚀涂层激光熔覆。

选用DL-HL-T10000 型CO₂激光器。工作台为SIEMENS数控机床。采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿轴向进给，大位移井减阻减扭工具按设定转速旋转，在水平辊外表面形成均匀致密的激光熔覆层。具体工艺参数如下：

聚焦镜f = 300

熔覆功率P=4000W

光斑直径D=3.5mm

扫描速度V=2.5m/min

搭接率50%

涂层厚度：0.8-1.2mm。

4.后续热处理。

激光宽带熔覆镍基合金后要慢速缓冷，减阻减扭工具用保温棉充分包裹，在室温下进行去应力退火24个小时。

本发明所选用的合金粉末为专用的镍基合金粉末，其化学成份按重量百分比为：C: 0.14%； Cr：15.3%； Si：1.12%；Fe：1.81%；Mn：0.34%；Mo：1.06%；B：1.24%；余量为Ni。

本发明的激光器类型是CO₂气体激光器，其最高功率是10000W，波长10.6微米，可实现窄带低阶模快速扫描以及宽带矩形扫描进行熔覆。

本发明的原理是：采用具有优良的耐磨抗蚀性能的镍基合金粉末，不仅是因为镍基合金粉末本身具优良的韧性以及较好的耐磨性，同时也是由于镍基自熔合金粉末和大位移井减阻减扭工具基材的热膨胀系数相近，即这种镍基合金粉末与大位移井减阻减扭工具基材的冶金结合性以及力学相容性较好，从而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。激光熔覆过程中，随着高功率激光束辐照水平辊表面的同时，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。熔覆层硬度在HRC45－55范围内，熔覆层厚度在0.8－1.2mm，硬度、厚度均匀分布。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和特点。

1、激光熔覆合金与基体形成冶金结合的特殊功能涂层较传统的普通工作层具有更加均匀、致密，具有更加优良的耐磨抗蚀性能，提高了使用寿命。

2、大位移井减阻减扭工具的工作层材料的选用较传统离心铸造方法降低了成本。

3、激光熔覆技术对环境没有污染问题，激光熔覆技术具有显著的环保优势。

4、本发明可用于大位移井减阻减扭工具的制造和修复再制造。

具体实施方式

实施例。

一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法及材料，包括以下工艺过程。

（1）减阻减扭工具耐磨涂层加工以及表面预处理。

利用强韧性良好的石墨钢或者球墨铸铁材质车削加工成预留一定激光熔覆尺寸的减阻减扭工具耐磨涂层表面，室温下对耐磨涂层表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净。

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节。

本发明所选用的合金粉末为镍基合金粉末，其化学成份安重量百分比为：C: 0.14%； Cr：15.3%； Si：1.12%；Fe：1.81%；Mn：0.34%；Mo：1.06%；B：1.24%；余量为Ni。

镍基合金粉末的制备方法。

将Ni、C、Cr、Si、Fe、Mn、Mo、B按上述重量百分比提取后放入中频感应炉内，在氩气气氛下加热到1450—1550℃，使粉末完全融化并混合均匀，将熔融的金属液流注入水雾化设备的漏包坩埚，在漏包坩埚的下方置有水雾化喷嘴，当熔融的金属液流通过导流嘴流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速水流击碎成小液滴、随后合金液滴落在水中凝固成粉末。

调节自动送粉头使粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量使涂层厚度达到1.5mm。

（3）激光熔覆制造减阻减扭工具耐磨涂层。

选用DL-HL-T5000 型CO₂激光器，工作台为SIEMENS数控机床，在大型型材减阻减扭工具耐磨涂层表面进行激光熔覆制造。

具体熔覆工艺参数如下：

熔覆功率P=4000W

光斑直径D=3.5mm

扫描速度V=2.5m/min

搭接率50%。

Claims

1.一种激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

（1）大位移井减阻减扭工具表面预处理

在室温下采用200~300g/l的H₂SO₄与100~120g/l的HCl的混合液对大位移井减阻减扭工具表面进行除油去锈处理；

（2）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镍基合金粉末，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0.8—1.2mm；

（3）耐磨抗蚀涂层激光熔覆

选用DL-HL-T10000 型CO₂激光器，工作台为SIEMENS数控机床，采用同步送粉装置将合金粉末自动送入激光熔池，高功率聚焦激光束和自动送粉头沿轴向进给，大位移井减阻减扭工具按设定转速旋转，在水平辊外表面形成均匀致密的激光熔覆层，具体工艺参数如下：

聚焦镜f = 300 ，

熔覆功率P=4000W，

光斑直径D=3.5mm，

扫描速度V=2.5m/min，

搭接率50% ，

涂层厚度：0.8-1.2mm；

（4）后续热处理

2.根据权利要求1所述激光制造大位移井减阻减扭工具耐磨涂层的方法，其特征在于所述的镍基合金粉末，其化学成份按重量百分比为：

C: 0.14%； Cr：15.3%； Si：1.12%；Fe：1.81%；Mn：0.34%；Mo：1.06%；B：1.24%；余量为Ni。