CN110093650A - 一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，该技术步骤如下：一、将常规钛合金复合套管外表面进行喷丸处理；二、对钛合金复合套管外表面进行预处理；三、将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内；四、对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理；五、对微弧氧化后的钛合金复合套管外表面进行清洗干燥处理。采用喷丸的钛合金复合套管外表面微弧氧化涂层均匀致密，增加了套管表层硬度，具有一定的耐磨性及力学稳定性。本发明对常规的钛合金复合套管进行喷丸处理和微弧氧化处理，在钛合金复合套管外表层形成硬度高、耐磨、耐腐蚀的保护层，延长了钛合金复合套管的使用寿命，降低了生产成本，从而进一步加快该技术在油气井领域的应用。

Description

一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法
技术领域
本发明属于钛合金微弧氧化表面处理技术领域，特别涉及一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有密度小、抗拉伸强度好、比强度高、耐腐蚀、可加工性好等特点，在航空、航天、航海、冶金、化工和医疗等领域得到广泛应用。钛合金复合套管是一种直径较大的管材，作为石油开采过程中用量最大的油井专用管材。套管工作环境非常恶劣，由气体、液体和固体组成的复杂体系，复杂体系下对钛合金复合套管表面产生严重的腐蚀,同时钛合金复合套管承受套管柱产生的拉应力和地层运动产生额挤压、错断力及射孔带来的开裂力等，因此石油套管综合性能的要求较为严格。钛合金复合套管对H2S、CO2、Cl-腐蚀具有很好的抵抗能力，相比镍基合金具有更好的耐蚀性和更低的价格。同时钛合金也存在一些缺点，钛合金保护层的表面氧化膜容易被擦伤而失去保护作用，硬度较低，耐磨性及抗微动磨损性能、耐高温性能较差等制约了钛合金在石油等中领域的实际应用。对钛及钛合金材料进行表面处理是提高其硬度、耐磨性、耐腐蚀性的有效方法。
近年来，微弧氧化技术广泛应用于钛合金表面处理技术，其操作简单，效率高，所形成的膜耐蚀性好、耐磨性高、与基体结合良好等特点，克服了常规表面改性方法的缺点，而广泛应用于航天、航空、汽车、电子和机械等其他领域。
微弧氧化在钛合金表面原位生成陶瓷膜，膜层和基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨耐高温冲击特性，但是钛合金微弧氧化形成的陶瓷涂层主要成分为TiO2，该涂层硬度低，微弧氧化陶瓷膜层表面粗糙且疏松多孔、厚度薄、致密性差，不利于基体的腐蚀防护，不能满足恶劣条件下对耐磨性的需求。单一的微弧氧化表面处理方式难以解决钛合金的耐磨、防腐的要求，因此，采用表面改性技术来提高钛合金的性能十分重要。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，将微弧氧化与高能喷丸结合，从而有效提高钛合金的硬度及耐磨性，同时增大膜层与基底之间的附着力，改善其力学性能，提高其防腐性能，大幅延长了钛合金复合套管的使用寿命
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。先采用砂轮机打磨等方法修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管的污物后，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理。打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间10-40min。采用DT1480数控喷丸机，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3-0.4mm。
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行表面预处理。将步骤一中喷丸处理的进行表面预处理。预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min。使器件外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污。2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触。3)再将表面烘干待用。
步骤三：将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内，固定微弧氧化槽组的材质为与处理的钛合金复合套管不反应的同质材料。采用工装胎具保护工件的非处理面并进行必要的密封处理，在工件待处理表面固定阳极组件,采用尼龙绳将工件可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上(尼龙绳不得直接与金属工件表面接触)，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
步骤四：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理。钛合金复合套管的微弧氧化处理采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成Na2SiO3·9H2O和(Na PO3)6，溶剂为去离子水。微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金试样与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化处理电压为300V，脉冲频率为500Hz,占空比为10％。微弧氧化试验下，电解液的温度控制在(20～30)℃范围内，完成微弧氧化处理。
步骤五：对微弧氧化后的管道外表面进行清洗干燥处理。微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
经过上述工艺，能效果明显地提高钛合金复合套管的耐磨损性能和硬度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明将钛合金复合套管进行喷丸处理后，使钛合金复合套管表面到几微米甚至十几微米区间内的金属晶粒纳米化，使钛合金复合套管具有硬度高，化学性质稳定，而且能够抑制微裂纹的萌生。大幅度提高了钛合金复合套管的使用寿命。
2、本发明通过对喷丸处理后的钛合金复合套管进行微弧氧化处理，显著增加了氧化膜的厚度，磨损失重降低明显，提高膜层结合力。因此，与常规微弧氧化相比，该膜层的耐磨损性、耐腐蚀性和耐高温抗氧化性得到了显著提高，进一步延长了钛合金复合套管的使用寿命。
3、本发明制备的钛合金复合套管表层晶粒细化明显、活性增强，放电通道更加平整、均匀，生成的氧化膜致密度更高，与基体的结合力更好。
4、本发明工艺简单，生产效率高，其钛合金复合套管的价格便宜、成本低，适于工业化生产。便于处理一些形状复杂零件的表面等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，图中1-钛合金复合套管本体；2-喷丸强化层；3-微弧氧化膜。
图2为高耐磨性高硬度微弧氧化的TC4试样截面图，其中a为MAO，b为HESP10+MAO，c为HESP20+MAO，d为HESP30+MAO，e为HESP40+MAO。
图3为高耐磨性高硬度微弧氧化的硬度曲线示意图。
图4为高耐磨性高硬度微弧氧化的TC4试样表面形貌图，其中a为MAO，b为HESP10+MAO，c为HESP20+MAO，d为HESP30+MAO，e为HESP40+MAO。
具体实施方式
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。先采用砂轮机打磨等方法修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管肉眼可见的污物后，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理。打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间10min。其中，采用DT1480数控喷丸机，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3mm。
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行表面预处理。将步骤一中喷丸处理的进行表面预处理。预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min。使器件外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污。2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触。3)再将表面烘干待用。
步骤三：将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内。采用工装胎具保护工件的非处理面并进行必要的密封处理,在工件待处理表面固定阳极组件,采用尼龙绳将工件可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上(尼龙绳不得直接与金属工件表面接触)，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
步骤四：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理。钛合金复合套管的微弧氧化处理采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成为Na2SiO3·9H2O和(NaPO3)6，溶剂为去离子水。微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金试样与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化试验下，电解液的温度控制在(20～30)℃范围内,完成微弧氧化处理。
步骤五：对微弧氧化后的管道外表面进行清洗干燥处理。微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
最终产品如图1所示，钛合金复合套管本体1外依次为喷丸强化层2和微弧氧化膜3。
参考图2，经检测，本实施例制备钛合金复合套管喷丸处理后的微弧氧化涂层的厚度达到20μm(图2之b)，接近直接直接微弧氧化涂层厚的2倍。参考图3经检测，钛合金复合套管外表层硬度从维氏硬度380提高到420，提高了11％以上。而且HESP后的磨损失重降低为原始的4％。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。先采用砂轮机打磨等方法修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管肉眼可见的污物后，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理。打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间20min。其中，采用DT1480数控喷丸机，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3mm。
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行表面预处理。将步骤一中喷丸处理的进行表面预处理。预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min。使器件外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污。2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触。3)再将表面烘干待用。
步骤三：将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内。采用工装胎具保护工件的非处理面并进行必要的密封处理,在工件待处理表面固定阳极组件,采用尼龙绳将工件可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上(尼龙绳不得直接与金属工件表面接触)，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
步骤四：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理。钛合金复合套管的微弧氧化处理采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成为Na2SiO3·9H2O和(NaPO3)6，溶剂为去离子水。微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金试样与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化试验下，电解液的温度控制在(20～30)℃范围内,完成微弧氧化处理。
步骤五：对微弧氧化后的管道外表面进行清洗干燥处理。微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
最终产品如图1所示，钛合金复合套管本体1外依次为喷丸强化层2和微弧氧化膜3。
参考图2，经检测，本实施例制备钛合金复合套管喷丸处理后的微弧氧化涂层的厚度达到18μm(图2之c)，接近直接直接微弧氧化涂层厚的1.5倍。参考图3经检测，钛合金复合套管外表层硬度从维氏硬度380提高到460，提高了20％以上。而且HESP后的磨损失重降低为原始的3％。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。先采用砂轮机打磨等方法修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管肉眼可见的污物后，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理。打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间30min。其中，采用DT1480数控喷丸机，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3mm。
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行表面预处理。将步骤一中喷丸处理的进行表面预处理。预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min。使器件外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污。2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触。3)再将表面烘干待用。
步骤三：将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内。采用工装胎具保护工件的非处理面并进行必要的密封处理,在工件待处理表面固定阳极组件,采用尼龙绳将工件可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上(尼龙绳不得直接与金属工件表面接触)，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
步骤四：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理。钛合金复合套管的微弧氧化处理采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成为Na2SiO3·9H2O和(NaPO3)6，溶剂为去离子水。微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金试样与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化试验下，电解液的温度控制在(20～30)℃范围内,完成微弧氧化处理。
步骤五：对微弧氧化后的管道外表面进行清洗干燥处理。微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
最终产品如图1所示，钛合金复合套管本体1外依次为喷丸强化层2和微弧氧化膜3。
参考图2，经检测，本实施例制备钛合金复合套管喷丸处理后的微弧氧化涂层的厚度达到20μm(图2之d)，接近直接直接微弧氧化涂层厚的2.5倍。参考图3经检测，钛合金复合套管外表层硬度从维氏硬度380提高到500，提高了32％以上。而且HESP后的磨损失重降低为原始的24％。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一：喷丸处理。先采用砂轮机打磨等方法修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管肉眼可见的污物后，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理。打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间40min。其中，采用DT1480数控喷丸机，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3mm。
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行表面预处理。将步骤一中喷丸处理的进行表面预处理。预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min。使器件外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污。2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触。3)再将表面烘干待用。
步骤三：将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内。采用工装胎具保护工件的非处理面并进行必要的密封处理,在工件待处理表面固定阳极组件,采用尼龙绳将工件可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上(尼龙绳不得直接与金属工件表面接触)，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
步骤四：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理。钛合金复合套管的微弧氧化处理采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成为Na2SiO3·9H2O和(NaPO3)6，溶剂为去离子水。微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金试样与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化试验下，电解液的温度控制在(20～30)℃范围内,完成微弧氧化处理。
步骤五：对微弧氧化后的管道外表面进行清洗干燥处理。微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
最终产品如图1所示，钛合金复合套管本体1外依次为喷丸强化层2和微弧氧化膜3。
参考图2，经检测，本实施例制备钛合金复合套管喷丸处理后的微弧氧化涂层的厚度达到32μm(图2之e)，接近直接直接微弧氧化涂层厚的4倍。参考图3经检测，钛合金复合套管外表层硬度从维氏硬度380提高到510，提高了35％以上。而且HESP后的磨损失重降低为原始的37％。
通过明显图2和图4可以看出，喷丸处理之后的氧化膜厚度显著增加，表层晶粒细化明显、活性增强，放电通道更加平整、均匀，生成的氧化膜致密度更高，与基体的结合力更好，磨损失重明显降低。因此该膜层的耐磨损性、耐腐蚀性和耐高温抗氧化性得到了显著提高，进一步延长了钛合金复合套管的使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一：将钛合金复合套管外表面进行喷丸处理；
步骤二：对钛合金复合套管外表面进行预处理；
步骤三：对钛合金复合套管外表面进行微弧氧化处理；
步骤四：对微弧氧化后的钛合金复合套管外表面进行清洗干燥处理。
2.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，先修磨工件外表面的缺陷，再去除Ti-6Al-4V钛合金复合套管的污物后，采用DT1480数控喷丸机，进行钛合金复合套管外表面的喷丸处理，打开喷丸开始开关，并将气体压力控制在0.4MPa，喷丸时间10-40min，弹丸为铸钢丸ZG30，硬度为55-65HRC，直径0.3-0.4mm。
3.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，预处理过程为：1)打开超声发生器开关，将超声频率控制在30-40kHz，超声时间为10-30min，使钛合金复合套管外表面的残余杂质完全去除，同时彻底清除钛合金复合套管外表面的残余油污；2)对超声处理后的钛合金复合套管外表面用无水乙醇进行二次清洗，从而保证微弧氧化处理时钛合金复合套管外表面可以充分接触；3)再将钛合金复合套管表面烘干待用。
4.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，先将钛合金复合套管固定到微弧氧化槽组内，然后进行微弧氧化处理，所述微弧氧化槽组的材质为与钛合金复合套管不反应的同质材料。
5.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，采用工装胎具保护钛合金复合套管的非处理面并进行必要的密封处理，在钛合金复合套管待处理表面的固定阳极组件，采用尼龙绳将钛合金复合套管可靠吊装于微弧氧化槽组的阳极挂具之上，尼龙绳不得直接与钛合金复合套管表面接触，将阳极组件与氧化槽组的阳极挂具用铜质软线连接。
6.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，所述钛合金复合套管为钛合金复合套管，微弧氧化处理
采用硅酸盐-磷酸盐混合系微弧氧化电解液，其组成Na2SiO3·9H2O和(NaPO3)6，溶剂为去离子水，微弧氧化处理采用MAO100H-Ⅲ型微弧氧化电源，将钛合金复合套管与电源阳极稳定连接，不锈钢片为阴极，一同置于配制好的硅酸盐-磷酸盐混合溶液中进行10min氧化处理，微弧氧化试验下，电解液的温度控制在20～30℃范围内，完成微弧氧化处理。
7.根据权利要求6所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，微弧氧化处理电压为300V，脉冲频率为500Hz，占空比为10％。
8.根据权利要求1所述高耐磨性高硬度钛合金复合套管的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，微弧氧化处理后的钛合金复合套管经去离子水及无水乙醇清洗后干燥，完成微弧氧化后处理。
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