CN108559988A - 一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆 - Google Patents

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王淼辉
申博文
范斌
梁金明
杜博睿
葛学元
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides

Abstract

本发明提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆。在抽油杆基体表面采用超高速率激光熔覆方法制备镍基耐磨耐腐蚀涂层。采用该方法制造的抽油杆耐磨耐腐蚀性能和使用寿命均超过目前国内使用的电镀抽油杆，且克服了传统激光熔覆方法所导致的涂层平整度差、生产效率低的问题，能够进行大规模批量化生产。

Description

一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆
技术领域
本发明涉及一种采用激光熔覆方法制造的杆类零件，尤其涉及一种采用高速率激光熔覆方法制造的抽油杆，属于激光增材制造领域。
背景技术
抽油杆适用于油田的采油，是抽油系统中的重要组成部分，起到连接抽油机和抽油泵并传递动力的作用。因此要求抽油杆具有足够的强度和使用寿命，保证采油工作的顺利进行。
目前油田的开发已进入高含水期，采出液的矿化度高，井液中含有CO2、H2S、盐水等腐蚀介质。抽油杆以优质碳素钢或合金钢为原材料生产的抽油杆在井液介质中服役过程中，由于化学腐蚀和电化学腐蚀的双重作用，导致抽油杆的严重腐蚀，进而造成油井故障。且由于抽油杆在运行中不可避免地要与油管发生摩擦，进一步加剧了抽油杆表面的损坏。根据矿场应用经验，抽油杆的损坏中由于腐蚀和磨损引起的损坏占80%以上。
为了防止抽油杆的腐蚀，通常采用添加缓蚀剂、电镀技术和激光熔覆技术。缓蚀剂可以在抽油杆表面形成有一种致密的保护膜，是抽油杆本体与腐蚀介质隔离开，达到保护抽油杆的目的，但缓蚀剂很难全方面对抽油杆进行保护且保护周期也太短。使用最为广泛的方法是电镀技术工艺简单成本低廉，但镀层与基体结合力差，在长时间摩擦、腐蚀的工作状态下易出现涂层破碎、剥落的现象。激光熔覆技术可以在热输入量很小的条件下在基体表面形成均匀致密的耐磨耐腐蚀涂层，涂层与基体为冶金结合状态，彻底阻隔了腐蚀介质与基体的接触。但传统的激光熔覆速率较低，且熔覆后涂层粗糙度较大，还需要如车削等机械加工保证部件尺寸精确度，因此生产效率低下。同时为了更快的制备大面积涂层，传统的激光熔覆方法使用提高激光功率和增加光斑面积的方法，但过高的功率会提高抽油杆的温度梯度，导致在加工后发生变形。
发明内容
本发明针对上述电镀涂层易破损和传统激光熔覆方法生产的抽油杆涂层粗糙度较大且生产效率低下的问题，采用同轴送粉式的超高速率激光熔覆方法，提供一种涂层光滑可控、组织均匀致密、生产周期更短的抽油杆。需要说明的是，本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于20m/min。
本发明技术方案的具体内容是：
一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆，其特征在于包括抽油杆基体和涂层，该涂层通过下述方法熔覆在抽油杆基体上：
（1）选择镍基粉末并对粉末筛分处理，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）将抽油杆基体固定在机床上，外圆加工至直径小于成品直径0.2～0.6mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷；
（3）将抽油杆基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上，调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对基体外表面待熔覆面上方的位置，并激光束大部分能量能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所设定的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层；
（5）在不送粉条件下降低激光功率，保持其它工艺参数不变，对熔覆涂层进行激光重熔，在抽油杆基体表面得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
本发明的超高速激光熔覆技术是一种新型、高效的激光熔覆技术，其激光束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在了粉末材料上，使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。由于不需要在基体表面形成较深的熔池，故与传统激光熔覆技术相比，激光能耗明显下降，工作效率也提高了几十甚至上百倍。且更小的热输入可减小抽油杆尤其是空心抽油杆的变形量。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆。该抽油杆通过下述方法制备：
（1）选择镍基粉末并对粉末筛分处理，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）将材料牌号为20CrMoA的抽油杆基体固定在车床上，车削外圆至直径小于成品直径0.2～0.6mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷；
（3）将抽油杆基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上，调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对基体外表面待熔覆面上方的位置，并且激光束大部分能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所设定的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层；
（5）在不送粉条件下降低激光功率，保持其它工艺参数不变，对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（6）将带有熔覆涂层的抽油杆进行磨床精加工至成品尺寸；
优选的，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
可以理解的是，本实施例中激光的少部分能量作用在基体表面形成较浅的熔池，激光大部分能量例如80%以上的能量作用在基体上方的镍基粉末上；镍基粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体结合。与传统工艺相比，本发明的镍基粉末稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，最终的涂层表面更加平整光滑、均匀致密且结合度更高。
优选的，镍基粉末以液滴的形式滴入基体表面的熔池与基体结合。
优选的，所使用的镍基粉末牌号为Ni45。
优选的，所述步骤（1）中，所述的烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于抽油杆基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
优选的，所述步骤（3）中，超高速率激光熔覆工艺参数为：光斑直径为1～3mm，抽油杆表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1500W，送粉速率为5～25g/min。
优选的，步骤（5）中将激光功率降低至800～1400W。
实施例2
一种外径为Φ40mm，壁厚6mm的空心抽油杆，其中，抽油杆基体材料为35CrMo，其通过以下工艺步骤加工制造：通过机加工对抽油杆基体进行加工至小于成品外径0.4mm；用同轴送粉的超高速率激光熔覆方法在基体表面熔覆Ni45金属涂层；使用激光重熔方法熔化涂层表面未完全熔化的粉末保证涂层表面粗糙度。其具体工艺步骤为：
（1）对Ni45粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～45μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度130℃、保温时间2h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）将牌号为35CrMo的抽油杆基体固定在磨床上，磨削外圆至外径小于成品外径0.2～0.6mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷；
（3）将表面光滑、无缺陷、外径小于成品外径0.4mm的抽油杆基体装夹在数控机床上，用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面，并调整光斑和粉斑相对抽油杆基体待熔覆面的位置：使光斑与粉斑在高于待熔覆面1mm的位置重合。设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1.1mm，抽油杆表面线速度即熔覆速率为25m/min，每转进给量0.30mm，激光功率为1150W，送粉速率为25g/min；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到抽油杆基体表面，得到厚度为0.4mm的耐腐蚀涂层；
（5）不送粉，对熔覆涂层表面进行激光重熔，保持抽油杆旋转线速度75m/min、每转进给量0.25mm和激光焦点位置不变，将激光功率降低至1000W对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的耐磨耐腐蚀涂层；
（6）将熔覆层表面通过磨床打磨至成品外径，得到完整的抽油杆。
本发明采用超高速率激光熔覆技术在抽油杆基体上制备耐磨耐腐蚀涂层，涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，带有镍基耐磨耐腐蚀涂层的抽油杆耐腐蚀性和使用寿命均优于电镀铬的活柱。本发明激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，且涂层厚度控制更精确，涂层光滑、均匀致密且结合度更好，提高了生产效率并可以降低生产成本；更小的热输入可减小活柱或中缸的变形量，产品性能更加优越。

Claims (6)

1.一种采用超高速率激光熔覆方法制造的抽油杆，其特征在于包括抽油杆基体和涂层，该涂层通过下述方法熔覆在抽油杆基体上：
（1）选择镍基粉末并对粉末筛分处理，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）将抽油杆基体固定在车床上，车削外圆至直径小于成品直径0.2～0.6mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷；
（3）将抽油杆基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上，调整光斑（激光焦点）和粉斑（镍基粉末汇聚点）相对基体外表面待熔覆面上方的位置，并使得激光束大部分能量能量作用在了粉末材料上；
（4）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所设定的工艺将步骤（1）所得的镍基粉末熔覆到基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层；
（5）在不送粉条件下降低激光功率，保持其它工艺参数不变，对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（6）将带有熔覆涂层的抽油杆进行磨床精加工至成品尺寸。
2.根据权利要求1所述的液压支架抽油杆，其特征在于，所述步骤（1）中，所述镍基粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
3.根据权利要求1所述的抽油杆，其特征在于，所述步骤（1）中，所述的烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1-3任一项所述的抽油杆，其特征在于，所述步骤（3）中，所述光斑和粉斑相对于抽油杆基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5～2mm的位置重合。
5.根据权利要求1-3任一项所述的抽油杆，其特征在于，所述步骤（3）中，超高速率激光熔覆工艺参数为：光斑直径为1～3mm，基体表面线速度即熔覆速率为20～75m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1500W，送粉速率为5～25g/min。
6.根据权利要求1-3任一项所述的抽油杆，其特征在于，步骤（5）中将激光功率降低至800～1400W。
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