CN107893208B - 等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子束‑超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法，该装置包括等离子束表面处理机和设置于其样品安装轴上的超声波振子、以及与超声波振子连接的超声波发生器。利用该装置制备无裂纹膨胀锥的方法包括如下步骤：1)分别配制混合均匀的内、中、外合金层的铁基合金粉；2)利用等离子束‑超声波复合装置，在超声波振动的条件下对待处理的毛坯膨胀锥分别进行等离子表面处理，形成内、中、外合金保护层，各保护层均需冷却、精磨后方可进行下一层保护层的制备。该方法将超声波振动与等离子束表面冶金结合，在膨胀锥表面获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的合金保护层，能显著提高产品的耐磨性和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，特别是涉及一种等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法。
背景技术
膨胀管技术是近些年发展起来的一项具有广阔应用前景的石油钻采工艺技术，为解决修井和完井等领域中的诸多技术难题提供了新的有效途径。但在膨胀管施工作业过程中，因作为主要膨胀扩径部件的膨胀锥(一般由Cr12MoV钢经淬火+低温回火制作而成)与膨胀管管体之间的作用方式为滑动摩擦，此类摩擦对膨胀锥的损坏极大，尽管使用了润滑油、减阻剂等措施，但仍无法有效地解决膨胀锥的磨损问题，膨胀施工过程中在管内高压流体的作用下甚至会出现膨胀锥刺漏、施工失败等问题，如何有效地提高膨胀锥的抗磨性成为当前膨胀管技术中亟待解决的现实问题。
等离子束表面冶金技术是是继等离子喷焊、堆焊、激光熔覆等表面强化技术之后发展起来的一种新的表面强化技术。该技术是以等离子弧为热源，采用同步送粉的方式，在基体材料的表面获得一层均匀致密、结合牢固的特殊保护层，实现合金层与金属基体的冶金结合，从而使金属表面具有非常高的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能。
因等离子束表面冶金工艺过程是一个复杂的物理、化学和冶金过程，同时也是一种对裂纹很敏感的表面改性工艺，等离子束的快速加热，使得表面合金层完全熔化，热量来不及传递开来，使得基材温度远低于表面合金层的温度。这就在合金层和基材材料间产生很大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中，不能有足够的液体来补充，形成的温度梯度差以及表面合金层材料与基体材料的热膨胀系数差异造成二者体积收缩不一致；通常表面合金层的收缩率大于基材材料，受周围环境(冷态的基材)的制约，在表面合金层中往往会形成显著地残余拉应力，应力的大小与基体材料的硬度高低有关。另外，固态金属在冷却过程中还会因相组织转变而引发显著的组织内应力。当上述应力叠加超过材料的强度极限时，就会在工件的气孔、夹渣等薄弱部位发生开裂。等离子束表面冶金过程中产生的残余应力是表面合金层层裂纹形成的根源，所以，减小或消除工艺过程中的残余应力是抑制等离子束表面冶金裂纹的有效途径。
发明内容
本发明提供一种等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法，其将超声波振动引入膨胀锥锥体的等离子束表面冶金强化处理过程，采用多层处理，在膨胀锥表面获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的合金保护层，显著提高膨胀锥的耐磨性和使用寿命。
一种等离子束-超声波复合装置，包括等离子束表面处理机和设置于所述等离子束表面处理机的样品安装轴上的超声波振子、以及与所述超声波振子连接的超声波发生器。
进一步，所述超声波振子单侧开口，卡在所述样品安装轴上；
同时所述超声波振子下侧安装有橡胶垫，缓冲所述超声波振子对所述样品安装轴带来的振动，避免振动过于剧烈损坏安装轴。
一种无裂纹膨胀锥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照如下配方分别配制混合均匀的内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉；
所述内合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：5～8％WC、0.5～1％Si、0.3～0.6％Mn、0.05～0.09％Nb、0.12～0.2％Cr、0.4～0.6％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
所述中合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：8～15％WC、0.6～1.2％Si、0.4～0.7％Mn、0.05～0.09％Nb、0.15～0.25％Cr、0.5～0.7％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
所述外合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：15～25％WC、1.0～1.4％Si、0.7～1.0％Mn、0.05～0.09％Nb、0.2～0.3％Cr、0.8～1％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
2)利用所述等离子束-超声波复合装置，在超声波振动的条件下对待处理的毛坯膨胀锥进行如下处理：
首先，将所述内合金层的铁基合金粉在所述毛坯膨胀锥表面形成内保护层，冷却、精磨，使所述内保护层清洁且厚度一致；
然后，将所述中合金层的铁基合金粉在所述内保护层的表面形成中保护层，冷却、精磨，使所述中保护层清洁且厚度一致；
最后，将所述外合金层的铁基合金粉在所述中保护层的表面形成外保护层，冷却；在所述毛坯膨胀锥的中心部位车削内丝扣及过流通道，精磨表面及过流通道，得到所述无裂纹膨胀锥。
进一步，利用等离子束-超声波复合装置将所述内合金层的铁基合金粉在所述毛坯膨胀锥表面形成内保护层的条件为：在氦气保护条件下，工作电流：220～230A，工作电压：35～38V，保护气流量：1.5m3/h，等离子气体流量1.0～1.2m3/h，送粉气流量0.5～0.7m3/h，送粉量4～4.5g/min，喷嘴距表面距离12mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为35％，超声波振子的频率16KHz、振幅40～60μm；
利用等离子束-超声波复合装置将所述中合金层的铁基合金粉在所述内保护层的表面形成中保护层的条件为：采用氦气保护，工作电流：230～240A，工作电压：38～40V，保护气流量：1.2m3/h，等离子气体流量0.8～1.0m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.8～4.2g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的频率18KHz、振幅60～80μm；
利用等离子束-超声波复合装置将所述外合金层的铁基合金粉在所述中保护层的表面形成外保护层的条件为：采用氦气保护，工作电流：250～260A，工作电压：40～42V，保护气流量：1.0m3/h，等离子气体流量0.7～0.8m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.6～4.0g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的频率20KHz、振幅80～100μm。
进一步，所述内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉粒度为60～80目，经干燥处理。
本发明提供技术方案的机理如下：
将超声波振动时效引入到膨胀锥锥体的等离子束表面冶金强化处理上：采用特定配比的内合金层、中合金层和外合金层合金粉末，以等离子束表面冶金强化工艺，将待处理的毛坯膨胀锥由内向外依次制备三层Fe基高含WC相等离子束表面耐磨梯度合金层；依靠超声波的机械效应促进等离子束表面冶金合金层及其熔池微区的应力释放，达到合金层组织应力场均匀化，从而自根源上抑制了合金层裂纹的产生；此外，因超声波的空化作用，熔池内部产生的空化泡将以极高的速度闭合或崩溃，空化泡崩溃过程中产生的强烈冲击波会击碎熔池中正在生长的晶体，使之成为新的晶核；再者，因超声波空化泡崩溃时，在气泡附近会产生高速微射流，这种高速声流会产生搅拌作用，其搅拌效果要显著优于传统电磁搅拌，这也有利于在晶粒生长过程中打碎枝晶，进而使各梯度合金层晶粒更细化。最终经离子束表面冶金-超声波振动复合处理可在膨胀锥表面获得获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的高性能表面无裂纹梯度合金层，显著提高膨胀锥的耐磨性和使用寿命。
该技术方案的有益效果为：
(1)将超声波振动时效直接引入到等离子束表面冶金处理的膨胀锥锥体上，依靠超声波的机械效应促进等离子束表面冶金合金层及其熔池微区的应力释放，并且从根源上抑制了合金层裂纹的产生；且因超声波的空化作用和高速声流会产生搅拌作用有利于在晶粒生长过程中打碎枝晶，进而使各梯度合金层晶粒更细化，显著提高了表面合金层的强度和耐磨性；
(2)将等离子束表面冶金-超声波振动相结合，保证了膨胀锥锥体等离子束表面冶金处理过程中合金层制备和超声波振动时效的同步性及时效性；
(3)提供的设备结构简单，操控灵活，利用其进行等离子束表面处理，得到产品表面无裂纹，具有很强的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的等离子束-超声波复合装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
如图1所示，一种等离子束-超声波复合装置，包括等离子束表面处理机和设置于等离子束表面处理机的样品安装轴14上的超声波振子15，以及与超声波振子15连接的超声波发生器11。
进一步，超声波振子15单侧开口，卡在样品安装轴14上；同时超声波振子15下侧安装有橡胶垫16，缓冲超声波振子15对样品安装轴14带来的振动。
该等离子束表面处理机包括控制装置、等离子发生装置和样品安装装置；
控制装置包括：PC机1、触摸屏2和PLC控制器3；PC机1和触摸屏2分别与控制器3连接；
等离子发生装置包括：四轴数控移动工作台7、等离子炬动力臂9、等离子炬10、分别与等离子炬10相连的送粉器4、水冷系统5、等离子弧发生器6和氮气瓶8，等离子炬动力臂9安装在四轴数控移动工作台7上，等离子炬10安装在等离子炬动力臂9上；四轴数控移动工作台7通过控制等离子炬动力臂9，继而控制等离子炬10的位置。
四轴数控移动工作台7内装配有可以满足工作台水平移动和垂直移动的横臂电机和升降电机，在PLC控制系统3的控制之下，带动等离子炬动力臂9水平或者垂直运动，进而实时调节等离子炬10的水平位置和垂直高度。
所述样品安装装置包括电动机13、样品安装轴14和支架19；样品安装轴14设置于电动机13和支架19之间，电动机13带动样品安装轴14旋转；待处理的毛坯膨胀锥18安装在样品安装轴14上，与样品安装轴14同步旋转。
超声波发生器11可产生周期性的超声波振动，令样品安装轴14旋转过程中振动，保证毛坯膨胀锥18在旋转过程中合金层的制备和超声波振动时效的同步。
一种无裂纹膨胀锥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照如下配方分别配制混合均匀的内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉；
内合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：5～8％WC、0.5～1％Si、0.3～0.6％Mn、0.05～0.09％Nb、0.12～0.2％Cr、0.4～0.6％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
中合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：8～15％WC、0.6～1.2％Si、0.4～0.7％Mn、0.05～0.09％Nb、0.15～0.25％Cr、0.5～0.7％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
外合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：15～25％WC、1.0～1.4％Si、0.7～1.0％Mn、0.05～0.09％Nb、0.2～0.3％Cr、0.8～1％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉粒度为60～80目，经干燥处理，在实施例中，干燥条件为150℃干燥6～8h；
2)利用等离子束-超声波复合装置，在超声波振动的条件下对待处理的毛坯膨胀锥进行如下处理：
首先，在氦气保护条件下，工作电流：220～230A，工作电压：35～38V，保护气流量：1.5m3/h，等离子气体流量1.0～1.2m3/h，送粉气流量0.5～0.7m3/h，送粉量4～4.5g/min，喷嘴距表面距离12mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为35％，超声波振子的频率16KHz、振幅40～60μm；利用等离子束-超声波复合装置将内合金层的铁基合金粉在毛坯膨胀锥表面形成内保护层；冷却、精磨，使内保护层清洁且厚度一致；
然后，采用氦气保护，工作电流：230～240A，工作电压：38～40V，保护气流量：1.2m3/h，等离子气体流量0.8～1.0m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.8～4.2g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的频率18KHz、振幅60～80μm的条件下，利用等离子束-超声波复合装置将中合金层的铁基合金粉在内保护层的表面形成中保护层，冷却、精磨，使中保护层清洁且厚度一致；
最后，采用氦气保护，工作电流：250～260A，工作电压：40～42V，保护气流量：1.0m3/h，等离子气体流量0.7～0.8m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.6～4.0g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的20KHz、振幅80～100μm的条件下，利用等离子束-超声波复合装置将外合金层的铁基合金粉在中保护层的表面形成外保护层，冷却；在毛坯膨胀锥的中心部位车削内丝扣及过流通道，精磨表面及过流通道，得到无裂纹膨胀锥。
Claims (4)
1.一种无裂纹膨胀锥的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)按照如下配方分别配制混合均匀的内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉；
所述内合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：5～8％WC、0.5～1％Si、0.3～0.6％Mn、0.05～0.09％Nb、0.12～0.2％Cr、0.4～0.6％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
所述中合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：8～15％WC、0.6～1.2％Si、0.4～0.7％Mn、0.05～0.09％Nb、0.15～0.25％Cr、0.5～0.7％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
所述外合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：15～25％WC、1.0～1.4％Si、0.7～1.0％Mn、0.05～0.09％Nb、0.2～0.3％Cr、0.8～1％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；
2)利用等离子束-超声波复合装置，在超声波振动的条件下对待处理的毛坯膨胀锥进行如下处理：
首先，将所述内合金层的铁基合金粉在所述毛坯膨胀锥表面形成内保护层，冷却、精磨，使所述内保护层清洁且厚度一致；
然后，将所述中合金层的铁基合金粉在所述内保护层的表面形成中保护层，冷却、精磨，使所述中保护层清洁且厚度一致；
最后，将所述外合金层的铁基合金粉在所述中保护层的表面形成外保护层，冷却；在所述毛坯膨胀锥的中心部位车削内丝扣及过流通道，精磨表面及过流通道，得到所述无裂纹膨胀锥；
所述等离子束-超声波复合装置包括等离子束表面处理机和设置于所述等离子束表面处理机的样品安装轴上的超声波振子、以及与所述超声波振子连接的超声波发生器。
2.如权利要求1所述无裂纹膨胀锥的制备方法，其特征在于：
利用等离子束-超声波复合装置将所述内合金层的铁基合金粉在所述毛坯膨胀锥表面形成内保护层的条件为：在氦气保护条件下，工作电流：220～230A，工作电压：35～38V，保护气流量：1.5m3/h，等离子气体流量1.0～1.2m3/h，送粉气流量0.5～0.7m3/h，送粉量4～4.5g/min，喷嘴距表面距离12mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为35％，超声波振子的频率16kHz、振幅40～60μm；
利用等离子束-超声波复合装置将所述中合金层的铁基合金粉在所述内保护层的表面形成中保护层的条件为：采用氦气保护，工作电流：230～240A，工作电压：38～40V，保护气流量：1.2m3/h，等离子气体流量0.8～1.0m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.8～4.2g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的频率18kHz、振幅60～80μm；
利用等离子束-超声波复合装置将所述外合金层的铁基合金粉在所述中保护层的表面形成外保护层的条件为：采用氦气保护，工作电流：250～260A，工作电压：40～42V，保护气流量：1.0m3/h，等离子气体流量0.7～0.8m3/h，送粉气流量0.5～0.6m3/h，送粉量3.6～4.0g/min，喷嘴距表面距离16mm，扫描速度60～80mm/min，搭接率为40％，超声波振子的频率20kHz、振幅80～100μm。
3.如权利要求1或2所述无裂纹膨胀锥的制备方法，其特征在于：所述内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉粒度为60～80目，经干燥处理。
4.如权利要求1所述无裂纹膨胀锥的制备方法，其特征在于：使用的等离子束-超声波复合装置的超声波振子单侧开口，卡在所述样品安装轴上；
同时所述超声波振子下侧安装有橡胶垫，缓冲超声波振子对所述样品安装轴带来的振动。
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| 等离子梯度冶金碳化物高强韧截齿刀头;冯婷等;《金属热处理》;20091231;第34卷(第12期);第61-64页 * |
| 超声振动辅助等离子沉积成形的研究;张小伟等;《电加工与模具》;20101231(第6期);第28-31页 * |
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