CN109403876A - 一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆及加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其技术方案如下：包括基材、打底层、和镍基合金复合涂层，所述打底层为纯镍层，所述镍基合金复合涂层包括软质过渡层和镍基合金基础涂层，所述镍基合金基础涂层为含有铜的镍基自熔合金涂层，所述软质过渡层和所述镍基合金基础涂层之间分层间隔分布，且所述镍基合金复合涂层的第一层和最后一层均为所述镍基合金基础涂层。通过对软质过渡层结构的多种设计和选择，可以获得韧性优异且耐蚀抗磨超强耐疲劳抽油光杆，可以很好地满足油田日渐苛刻的高载荷，高磨损和高腐蚀的服役环境。
Description
技术领域
本发明涉及石油设备，更具体涉及一种抽油光杆及其加工工艺。
背景技术
抽油机井一直以来都是国内外油田的主要采油方式，是有杆抽油系统的关键部件之一。腐蚀和磨损的问题通过在抽油光杆表面制备高硬度耐腐蚀的镍基合金涂层可以很好的解决，但如何改善镍基合金涂层的韧性和抗疲劳性能，以及其与光杆基材之间的匹配成为新的问题。
特别是由于光杆在其卡子下方十公分范围内承受着较大的弯曲循环载荷作用，使得该位置的断裂成为光杆断裂的主要形式，而这种断裂形式对于喷焊涂层光杆来说更为显著，这主要是由于油田现有喷焊光杆在镍基合金涂层的成分优化、以及镍基涂层和光杆基材的匹配选择上不够合理，导致此类喷焊涂层光杆在使用过程中的弯曲力作用下涂层表面会较快产生裂纹并扩展，严重降低了喷焊光杆的使用寿命。现有的改进措施包括采用新型耐疲劳光杆基材和增加喷焊涂层的韧性两方面，但是前者存在新型光杆基材成本高，生产环节难以控制等限制，而后者虽然对光杆基材的选择范围很广，但采用Cu等增韧粒子只能在有限程度上改善涂层的韧性。
因此，如何优化镍基合金涂层的成分，大幅提高喷焊涂层光杆的抗弯能力和表面涂层的抗裂纹能力，将是关系到喷焊涂层光杆能否不断满足油田使用要求的关键所在。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有较好的耐磨耐蚀性能，特别是具有优异韧性和抗弯能力的合金涂层抽油光杆。
按照本发明提供的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其技术方案如下：包括基材、打底层、和镍基合金复合涂层，所述打底层为纯镍层，所述镍基合金复合涂层包括软质过渡层和镍基合金基础涂层，所述镍基合金基础涂层为含有铜的镍基自熔合金涂层，所述软质过渡层和所述镍基合金基础涂层之间分层间隔分布，且所述镍基合金复合涂层的第一层和最后一层均为所述镍基合金基础涂层。
本发明技术方案还包括如下特征：
所述软质过渡层的结构可为单层结构的纯镍层，或者纯铜层，或者单层结构的镍和铜的混合层，按质量百分比计，所述镍和铜的混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3；所述软质过渡层的结构也可以为镍和铜的复合涂层。
所述镍和铜的复合涂层的结构可以为三层结构的镍层/铜层/镍层，所述镍层/铜层/镍层的厚度比例范围为1：（1-3）：1；所述镍和铜的复合涂层的结构也可以为三层结构的镍层/镍和铜混合层/镍层，所述镍层/镍和铜混合层/镍层的厚度比例范围为1：（2-5）：1，按质量百分比计，所述三层结构中镍和铜混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3。
所述打底层的厚度为100-500 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.1-0.5 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为100-1000纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为40-100 微米。
所述镍基合金基础涂层的化学成分按照质量百分含量分别为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Cu：3.0%～10.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基合金基础涂层由粒度为40-80 微米的含有铜的镍基自熔合金粉末制备而成。
所述打底层为粒度50-100 纳米的纯镍粉末制备而成。
所述软质过渡层所使用的纯镍粉末和纯铜粉末的粒度为50-100 纳米。
所述打底层和所述镍基合金复合涂层均采用预粘结工艺和重熔工艺制备而成。
所述镍基合金复合涂层重熔工艺进行的同时喷涂一层所述打底层的纯镍粉末。
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆的加工工艺，包括以下步骤：
（1）按照本发明要求准备好经过净化和粗化的钢质抽油光杆基材；
（2）采用有机粘结剂的预粘结工艺，在抽油光杆基体的中间杆体部位上按顺序进行所述厚度的打底层和所述镍基合金复合涂层的预粘结，首先是打底层，然后是第一层所述镍基合金基础涂层，接着是所述软质过渡层，接下来根据厚度需要重复所述镍基合金基础涂层和所述软质过渡层，直到最后一层所述镍基合金基础涂层，所述软质过渡层的结构可根据实际情况和抽油光杆的服役要求进行选择；
（3）待上一步骤中的预粘结涂层充分固化后，采用感应加热线圈进行重熔处理，根据所述镍基合金复合涂层的组成结构和厚度选择相应的加热频率、功率，并配合相应的抽油光杆行进速度和转动速度，获得良好的重熔效果，使表面涂层出现镜面；
（4）当上一步骤中涂层表面出现镜面效应时，同时喷涂一层厚度不超过200纳米的所述打底层的纯镍粉末，利用镜面效应的涂层表面的高温将所喷涂的纯镍粉末熔化；
（5）将上一步骤中制备得到的抽油光杆保持转动，直到表面涂层的温度降至室温，然后采用不同目数的砂带从粗到细逐级对抽油光杆表面的合金涂层进行打磨和抛光；
（6）获得本发明的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆。
按照本发明提供的一种抽油光杆与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明首次采用了含有软质过渡层的多层涂层技术，形成了所述软质过渡层和所述镍基合金基础涂层之间分层间隔分布的多层涂层结构，通过软质过渡层的设计显著改善抽油光杆表面硬质镍基合金涂层的韧性，并结合多层涂层技术的多界面对疲劳裂纹扩展的阻碍效应显著提高硬质镍基合金涂层抵抗抽油光杆表面疲劳裂纹扩展的能力，从而显著改善涂层抽油光杆的抗疲劳性能。
2、本发明在软质过渡层的设计上采用了纯金属镍和纯金属铜，一方面与基体之间形成良好的兼容，另一方面薄至数百纳米尺度的厚度设计确保了软质过渡层优异的韧性，而根据抽油光杆的服役工况，本发明还提供了多种结构和组分组合的软质过渡层，既可以是单层结构，也可以是三层结构，软质过渡层既可以形成多层界面，又可以形成软质韧性过渡层，实现对含铜硬质镍基合金涂层韧性的显著改善和支撑，从而显著改善涂层抽油光杆的抗疲劳性能。
3、本发明对软质过渡层金属粉末粒度和结构进行了严格控制。通过纳米尺度粒度的限制，确保了所述软质过渡层的厚度实现，同时也进一步确保了软质过渡层优异的韧性，从而实现对不同层镍基合金涂层之间变形的协调，同时不会影响到涂层整体的硬度；而通过对软质过渡层结构的设计，确保了当镍和铜同时存在的时候，镍层作为与上下两层接触的涂层，而铜层则居于两层镍层之间，而且铜的含量要不低于或明显高于镍的含量，既确保了与上下两层镍基合金基础涂层之间的良好结合，也确保了铜层优异韧性性能的体现。
4、在加工工艺中采用了镍粉进行最后的覆盖处理，进一步提高了镍基合金涂层抵抗疲劳裂纹产生的能力。巧妙地利用重熔的高温及后续的余热进行纯镍粉末的熔化，实现了细粒度纯镍粉末对最后一层镍基合金基础涂层表面可能存在的孔洞或裂缝等缺陷的封闭和弥补，减少应力集中，最大程度上减少表面疲劳裂纹的产生。
附图说明
图1是本发明的抽油光杆一侧涂层典型结构示意图。
图2是本发明的镍基合金复合涂层的结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，按照本发明提供的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其技术方案如下：包括基材1、打底层2、和镍基合金复合涂层3，所述打底层2为纯镍层，所述镍基合金复合涂层3包括软质过渡层31和镍基合金基础涂层32，所述镍基合金基础涂层32为含有铜的镍基自熔合金涂层，所述软质过渡层31和所述镍基合金基础涂层32之间分层间隔分布，且所述镍基合金复合涂层3的第一层和最后一层均为所述镍基合金基础涂层32。
所述软质过渡层31的结构可为单层结构的纯镍层，或者纯铜层，或者单层结构的镍和铜的混合层，按质量百分比计，所述镍和铜的混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3；所述软质过渡层31的结构也可以为镍和铜的复合涂层。
所述镍和铜的复合涂层的结构可以为三层结构的镍层/铜层/镍层，所述镍层/铜层/镍层的厚度比例范围为1：（1-3）：1；所述镍和铜的复合涂层的结构也可以为三层结构的镍层/镍和铜混合层/镍层，所述镍层/镍和铜混合层/镍层的厚度比例范围为1：（2-5）：1，按质量百分比计，所述三层结构中镍和铜混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3。
所述打底层2的厚度为100-500 纳米，所述镍基合金复合涂层3的厚度为0.1-0.5毫米，所述软质过渡层31的单层厚度为100-1000纳米，所述镍基合金基础涂层32的单层厚度为40-100 微米。
所述镍基合金基础涂层32的化学成分按照质量百分含量分别为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Cu：3.0%～10.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基合金基础涂层32由粒度为40-80 微米的含有铜的镍基自熔合金粉末制备而成。
所述打底层2为粒度50-100 纳米的纯镍粉末制备而成。
所述软质过渡层31所使用的纯镍粉末和纯铜粉末的粒度为50-100 纳米。
所述打底层2和所述镍基合金复合涂层3均采用预粘结工艺和重熔工艺制备而成。
所述镍基合金复合涂层3重熔工艺进行的同时喷涂一层所述打底层1的纯镍粉末。
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆的加工工艺，包括以下步骤：
（1）按照本发明要求准备好经过净化和粗化的钢质抽油光杆基材；
（2）采用有机粘结剂的预粘结工艺，在抽油光杆基体的中间杆体部位上按顺序进行所述厚度的打底层和所述镍基合金复合涂层的预粘结，首先是打底层，然后是第一层所述镍基合金基础涂层，接着是所述软质过渡层，接下来根据厚度需要重复所述镍基合金基础涂层和所述软质过渡层，直到最后一层所述镍基合金基础涂层，所述软质过渡层的结构可根据实际情况和抽油光杆的服役要求进行选择；
（3）待上一步骤中的预粘结涂层充分固化后，采用感应加热线圈进行重熔处理，根据所述镍基合金复合涂层的组成结构和厚度选择相应的加热频率、功率，并配合相应的抽油光杆行进速度和转动速度，获得良好的重熔效果，使表面涂层出现镜面；
（4）当上一步骤中涂层表面出现镜面效应时，同时喷涂一层厚度不超过200纳米的所述打底层的纯镍粉末，利用镜面效应的涂层表面的高温将所喷涂的纯镍粉末熔化；
（5）将上一步骤中制备得到的抽油光杆保持转动，直到表面涂层的温度降至室温，然后采用不同目数的砂带从粗到细逐级对抽油光杆表面的合金涂层进行打磨和抛光；
（6）获得本发明的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆。
实施例1：
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，包括基材、打底层、和镍基合金复合涂层，所述打底层为纯镍层，所述镍基合金复合涂层包括软质过渡层和镍基合金基础涂层，所述镍基合金基础涂层为含有铜的镍基自熔合金涂层，所述软质过渡层和所述镍基合金基础涂层之间分层间隔分布，且所述镍基合金复合涂层的第一层和最后一层均为所述镍基合金基础涂层。
所述软质过渡层的结构可为单层结构的镍和铜的混合层，按质量百分比计，所述镍和铜的混合层中镍和铜的厚度比例为1:3。
所述打底层的厚度为100纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.1 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为100纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为40 微米。采用PVA（聚乙烯醇）作为粘结剂。
实施例2：
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，与上述实施例1的区别特征如下：所述软质过渡层的结构为单层结构的纯铜层。
所述打底层的厚度为300 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.4 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为300纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为50 微米。
实施例3：
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，与上述实施例1的区别特征如下：所述软质过渡层的结构为镍和铜的复合涂层。
所述镍和铜的复合涂层的结构为三层结构的镍层/铜层/镍层，所述镍层/铜层/镍层的厚度比例范围为1：3：1。
所述打底层的厚度为500 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.5 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为1000纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为100 微米。
实施例4：
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，与上述实施例1的区别特征如下：所述软质过渡层的结构为镍和铜的复合涂层。
所述镍和铜的复合涂层的结构为三层结构的镍层/镍和铜混合层/镍层，所述镍层/镍和铜混合层/镍层的厚度比例范围为1：2：1，按质量百分比计，所述三层结构中镍和铜混合层中镍和铜的厚度比例为1:1。
所述打底层的厚度为200 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.4 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为600纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为70 微米。
实施例5：
一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，与上述实施例1的区别特征如下：所述软质过渡层的结构为镍和铜的复合涂层。
所述镍和铜的复合涂层的结构可以为三层结构的镍层/铜层/镍层，所述镍层/镍和铜混合层/镍层的厚度比例范围为1：5：1，按质量百分比计，所述三层结构中镍和铜混合层中镍和铜的厚度比例为1:2。
所述打底层的厚度为400 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.35 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为800纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为90 微米。
在实验室环境下按照GB/T14452-1993《金属弯曲力学性能试验方法》要求，以目前油田常用的20CrMo抽油光杆为基材，分别采用无软质过渡层的镍基合金涂层试样（以下简称20CrMo试样）和本发明实施实例中包含软质过渡层的镍基合金涂层试样（以下简称MC试样）进行了同等条件的抗弯试验，从试样表面镍基合金涂层裂纹的出现时间、裂纹数量和长度等方面进行对比，结果发现本发明的MC试样的裂纹出现时间推迟30%-50%，表面裂纹数量平均减少50%-60%，裂纹长度平均降低70%-80%。以上结果表明，本发明的包含软质过渡层的MC抽油光杆具有良好的韧性和抵制裂纹产生的能力，可以进一步改善含Cu镍基合金涂层的抗疲劳性能，获得更长久的服役寿命。
以上实施例为本发明的典型技术方案，其中软质过渡层中各个软质过渡层和镍基合金基础涂层的厚度和结构设计可在本发明的整个技术方案范围内进行选择。尽管以上内容已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：包括基材、打底层和镍基合金复合涂层，所述打底层为纯镍层，所述镍基合金复合涂层包括软质过渡层和镍基合金基础涂层，所述镍基合金基础涂层为含有铜的镍基自熔合金涂层，所述软质过渡层和所述镍基合金基础涂层之间分层间隔分布，且所述镍基合金复合涂层的第一层和最后一层均为所述镍基合金基础涂层。
2.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述软质过渡层的结构可为单层结构的纯镍层，或者纯铜层，或者单层结构的镍和铜的混合层，按质量百分比计，所述镍和铜的混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3；所述软质过渡层的结构也可以为镍和铜的复合涂层。
3.如权利要求2所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍和铜的复合涂层的结构可以为三层结构的镍层/铜层/镍层，所述镍层/铜层/镍层的厚度比例范围为1：（1-3）：1；所述镍和铜的复合涂层的结构也可以为三层结构的镍层/镍和铜混合层/镍层，所述镍层/镍和铜混合层/镍层的厚度比例范围为1：（2-5）：1，按质量百分比计，所述三层结构中镍和铜混合层中镍和铜的厚度比例为1:1-1:3。
4.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述打底层的厚度为100-500 纳米，所述镍基合金复合涂层的厚度为0.1-0.5 毫米，所述软质过渡层的单层厚度为100-1000纳米，所述镍基合金基础涂层的单层厚度为40-100 微米。
5.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金基础涂层的化学成分按照质量百分含量分别为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Cu：3.0%～10.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基合金基础涂层由粒度为40-80 微米的含有铜的镍基自熔合金粉末制备而成。
6.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述打底层为粒度50-100 纳米的纯镍粉末制备而成。
7.如权利要求2所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述软质过渡层所使用的纯镍粉末和纯铜粉末的粒度为50-100 纳米。
8.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述打底层和所述镍基合金复合涂层均采用预粘结工艺和重熔工艺制备而成。
9.如权利要求1所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍基合金复合涂层重熔工艺进行的同时喷涂一层所述打底层的纯镍粉末。
10.权利要求1-9任一项所述的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆的加工工艺，包括以下步骤：
（1）按照本发明要求准备好经过净化和粗化的钢质抽油光杆基材；
（2）采用有机粘结剂的预粘结工艺，在抽油光杆基体的中间杆体部位上按顺序进行所述厚度的打底层和所述镍基合金复合涂层的预粘结，首先是打底层，然后是第一层所述镍基合金基础涂层，接着是所述软质过渡层，接下来根据厚度需要重复所述镍基合金基础涂层和所述软质过渡层，直到最后一层所述镍基合金基础涂层，所述软质过渡层的结构可根据实际情况和抽油光杆的服役要求进行选择；
（3）待上一步骤中的预粘结涂层充分固化后，采用感应加热线圈进行重熔处理，根据所述镍基合金复合涂层的组成结构和厚度选择相应的加热频率、功率，并配合相应的抽油光杆行进速度和转动速度，获得良好的重熔效果，使表面涂层出现镜面；
（4）当上一步骤中涂层表面出现镜面效应时，同时喷涂一层厚度不超过200纳米的所述打底层的纯镍粉末，利用镜面效应的涂层表面的高温将所喷涂的纯镍粉末熔化；
（5）将上一步骤中制备得到的抽油光杆保持转动，直到表面涂层的温度降至室温，然后采用不同目数的砂带从粗到细逐级对抽油光杆表面的合金涂层进行打磨和抛光；
（6）获得本发明的一种包含软质过渡层的镍基合金涂层抽油光杆。
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