CN111188578B - 具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆及其加工工艺，所述抽油光杆包括基材和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材为一长直圆杆，一端为镦粗端，另一端为未镦粗端，从未镦粗端开始，所述基材依次包括第一过渡段、夹持段、第二过渡段和杆体；所述合金涂层包括高镍强韧复合涂层和镍基自熔合金涂层；所述基材的第一过渡段、夹持段和第二过渡段表面具有织构化图案。通过光杆基材结构的设计，在夹持段基材表面引入毫米级别的织构图案结构，并在其表面采用高韧性镍基合金涂层，来提供一种具有优异韧性和耐磨耐蚀性能的合金涂层抽油光杆，使其服役寿命得到明显改善。

Description

具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆及其加工方法

技术领域

本发明涉及石油设备，更具体涉及一种镍基合金涂层抽油光杆。

背景技术

抽油光杆是油田人工举升采油最关键的部件之一，一旦发生光杆断裂问题，将会导致油井停产和进行修井作业，由此带来的经济损失巨大。

磨损、腐蚀和断裂是光杆的三种主要失效原因。在解决磨损和腐蚀方面已经有很多成功的途径，比如API 11B和SY/T 5029标准中规定的镍基合金涂层喷焊光杆就很好的解决了光杆的磨损和腐蚀，并已经成为油田应用最为广泛的光杆产品。但是在光杆断裂方面则存在很大的难题，由于光杆卡子下方10公分范围内存在严重的弯曲交变应力和拉拉交变应力的叠加，导致光杆断裂大部分都发生在该范围内。因此如何解决耐磨耐蚀合金涂层光杆的断裂问题是非常紧迫和关键的。

现有的合金涂层光杆从多方面进行了改进，比如调节NiCrBSi自熔合金涂层的成分，采用具有更好的韧性和耐疲劳性能的光杆基材材料，但其对光杆使用寿命的提高幅度有限，仍然难以有效解决光杆的断裂。

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，通过光杆基材结构的设计，在夹持段基材表面引入毫米级别的织构图案结构，并在其表面采用高韧性镍基合金涂层，来提供一种具有优异韧性和耐磨耐蚀性能的合金涂层抽油光杆，使其夹持段的服役寿命得到明显改善。

按照本发明提供的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其采用的主要技术方案为：包括基材和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材为一长直圆杆，一端为镦粗端，另一端为未镦粗端，从未镦粗端开始，所述基材依次包括第一过渡段、夹持段、第二过渡段和杆体，所述基材的夹持段长1到3米，所述第一过渡段和第二过渡段长0.1到0.5米；所述合金涂层包括高镍强韧复合涂层和镍基自熔合金涂层，所述基材的第一过渡段和夹持段表面制备有所述高镍强韧复合涂层，所述基材的第二过渡段和杆体表面制备有镍基自熔合金涂层；所述基材的第一过渡段、夹持段和第二过渡段表面具有织构化图案。

本发明提供的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，还采用如下附属技术方案：

所述基材为中低碳钢或低合金钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于500 Mpa，抗拉强度不低于800 Mpa，延伸率不低于10%，断面收缩率不低于30%。

所述基材的夹持段表面织构化图案为均匀分布的直线型短条纹，所述基材的第一过渡段和第二过渡段表面织构化图案为均匀分布的点状凹坑。

所述夹持段表面的直线型短条纹的长度方向与所述抽油光杆基材的轴线方向平行，所述短条纹长度为10～20毫米，宽度为0.2-0.5毫米，并在所述抽油光杆基材的长度方向错位排列，任意两个所述短条纹均不连接，所述短条纹深度为0.5～1毫米。

所述基材的第一过渡段和第二过渡段表面的点状凹坑的密度随着远离所述夹持段而减小，所述点状凹坑的直径为50～100微米，深度为0.1～0.3毫米。

所述高镍强韧复合涂层包括底层和表层的双层结构，所述底层为高镍合金基础涂层，所述表层为包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层。

所述高镍合金基础涂层，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：1.5%～3.0%，B：0.5%～2.0%，Ti：1%～3%，Cu：10%～13%，余量为镍，所述高镍合金基础涂层的硬度为HB120-160。

所述镍基自熔合金涂层，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基自熔合金涂层的硬度为30-35HRC。

所述合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，所述夹持段的所述高镍强韧复合涂层与所述基材之间形成涂层/基材共存的过渡层，所述过渡层的厚度范围为0.5～1.0毫米，所述过渡层中基材和涂层界面之间的元素的相互扩散层厚度范围不低于0.05毫米，所述扩散层在夹持段直线型段条纹织构的深度方向和水平方向均存在。

如上所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）基材粗化和净化：将钢质抽油光杆基材表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

（2）基材表面织构化处理：按照实际需要，从未镦粗端开始，将抽油光杆基材依次分为第一过渡段、夹持段、第二过渡段和杆体，采用激光设备或者机械方法在夹持段表面制备直线型短条纹织构化图案，在所述第一过渡段和第二过渡段表面的点状凹坑织构化图案，织构化处理过程中抽油光杆基材保持静止，并在抽油光杆基材底部采用底托方式固定；

（3）基材表面高镍强韧复合涂层喷涂：采用热喷涂设备将粒度范围在20～100微米的高镍合金基础涂层喷涂到所述基材的第一过渡段和夹持段表面，喷涂厚度0.05～0.15毫米，所述厚度指的是光杆基材夹持段无织构图案区域的厚度，然后采用同样的方法在所述喷涂层表面继续制备0.05～0.1毫米的包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层，所述硬质固体颗粒外表面具有镍包覆层，所述硬质固体颗粒的添加比例为1%～5%，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（4）基材表面镍基自熔合金涂层喷涂：采用与上一步骤同样的方法在所述基材的第二过渡段和杆体表面制备镍基自熔合金涂层，涂层厚度0.10～0.25毫米，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（5）合金涂层重熔处理：采用感应加热的方法对上述抽油光杆表面的合金涂层进行重熔处理，针对不同合金涂层成分的需要调整相应的感应加热功率和抽油光杆的移动速度，以获得镜面涂层为准，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（6）将制备上一步骤获得的合金涂层抽油光杆进行表面抛光处理，使得合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，即获得具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆。

按照本发明提供的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆及其加工方法，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明中的光杆基材采用了多个分区结构，重点针对夹持段进行设计，而为了使得夹持段和左右两端光杆基材在制备涂层后相互衔接，在其两端分别设计了第一过渡段和第二过渡段，夹持段基材的织构为直线型短条纹，并且短条纹长度方向与基材轴线平行，这使得基材的拉伸强度不受影响，对第一过渡段和第二过渡段表面的织构密度进行了专门设计,使得距离夹持段越近，点状凹坑织构的密度越大，使得表面制备涂层后，夹持段左右两边涂层与基体的结合程度接近，不会出现突变，有利于服役过程中应力的释放。

2、本发明中的光杆基材的夹持段采用了毫米级别深度的织构结构，可以获得毫米级别的涂层/基材混合过渡层，并在该深度范围内产生深度方向和水平方向产生显著的元素扩散层。本发明所采用的过渡层厚度远大于表面涂层厚度的设计与现有的涂层技术截然不同，通常在涂层和基材之间采用过渡层来提高涂层-基材结合力，而本发明中过渡层所承担的角色和作用则完全完全不同。一方面，从织构深度来看，常见的织构深度大都在十数微米以内，而本发明抽油光杆基材的夹持段采用的织构深度高达0.5到1毫米，远超出行业所应用的深度；另一方面，本发明利用毫米级别的织构结构，在光杆夹持段区域形成了一个全新的过渡层，在该过渡层内，光杆基材和镍基合金涂层混合共存，特别是将直线型短条纹织构的宽度确定为0.2-0.5毫米，除了可以使得喷涂过程中合金粉末充分进入到织构内部外，还可以利用感应加热重熔处理，使得涂层与基体界面层的加热程度更为显著，温度更高，合金涂层粉末优先熔化后进入到织构内部，形成致密结构的过渡层，并在该过渡层内形成元素的扩散，从而使得该过渡层实现了基材材料和涂层材料之间的“平缓过渡”，由于过渡层的厚度（0.5-1mm）远大于基材表面涂层的厚度（0.1-0.3mm）,因为在光杆服役过程中，不同于同类镍基合金涂层光杆产品主要有表层的涂层承受交变应力，本发明中夹持段的过渡层更多的承担了所受的交变应力，从而使得光杆的服役寿命得到显著改善。

3.本发明中的镍基合金涂层与基材的分区结构进行了很好的匹配，为了获得更好的韧性，夹持段表面的合金涂层采用了添加有钛的高镍低铬合金涂层，而为了确保其耐磨性能，该段合金涂层采用了双层结构，在其表层采用了镍包硬质固体颗粒的设计。

4.本发明对光杆钢质基材的范围较广，可以选择市场上常见的钢质光杆基材，便于推广应用；由于夹持段的设计和处理是本发明申请的关键所在，因此在制备工艺上采用了“基材表面织构化处理-基材表面高镍强韧复合涂层喷涂-基材表面镍基自熔合金涂层喷涂-合金涂层重熔处理”的顺序设计，从而确保夹持段基材的合金涂层质量得到优先保证。

5.在本发明的镍基合金涂层光杆兼顾其耐磨、耐蚀和韧性，很好地解决抽油光杆的磨损、腐蚀和断裂问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明的光杆基材结构示意图。

图3是本发明的光杆基材夹持段的织构结构示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，按照本发明提供的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，包括基材1和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材1为一长直圆杆，一端为镦粗端12，另一端为未镦粗端11，从未镦粗端11开始，所述基材1依次包括第一过渡段13、夹持段14、第二过渡段15和杆体16，所述基材1的夹持段14长1到3米，所述第一过渡段13和第二过渡段15长0.1到0.5米；所述合金涂层包括高镍强韧复合涂层21和镍基自熔合金涂层22，所述基材1的第一过渡段13和夹持段14表面制备有所述高镍强韧复合涂层21，所述基材的第二过渡段15和杆体16表面制备有镍基自熔合金涂层22；所述基材1的第一过渡段13、夹持段14和第二过渡段15表面具有织构化图案。光杆基材采用了多个分区结构，重点针对夹持段进行设计，而为了使得夹持段和左右两端光杆基材在制备涂层后相互衔接。

所述基材1为中低碳钢或低合金钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于500 Mpa，抗拉强度不低于800 Mpa，延伸率不低于10%，断面收缩率不低于30%。

参见图3，所述基材1的夹持段14表面织构化图案为均匀分布的直线型短条纹141，所述基材1的第一过渡段13和第二过渡段15表面织构化图案为均匀分布的点状凹坑。

所述夹持段14表面的直线型短条纹141的长度方向与所述抽油光杆基材1的轴线方向平行，所述短条纹141长度为10～20毫米，宽度为0.2-0.5毫米，并在所述抽油光杆基材1的长度方向错位排列，任意两个所述短条纹141均不连接，所述短条纹141深度为0.5～1毫米。

所述基材1的第一过渡段13和第二过渡段15表面的点状凹坑的密度随着远离所述夹持段14而减小，所述点状凹坑的直径为50～100微米，深度为0.1～0.3毫米。

所述高镍强韧复合涂层21包括底层和表层的双层结构，所述底层为高镍合金基础涂层，所述表层为包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层。

所述高镍合金基础涂层，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：1.5%～3.0%，B：0.5%～2.0%，Ti：1%～3%，Cu：10%～13%，余量为镍，所述高镍合金基础涂层的硬度为HB120-160。

本发明则利用毫米级别的织构结构，在光杆夹持段区域形成了一个全新的过渡层，在该过渡层内，光杆基材和镍基合金涂层混合共存，并利用重熔处理，在该过渡层内形成了元素的扩散，从而使得该过渡层实现了基材材料和涂层材料之间的“平缓过渡”，由于过渡层的厚度（0.5-1mm）远大于基材表面涂层的厚度（0.1-0.3mm）,因为在光杆服役过程中，不同于同类镍基合金涂层光杆产品主要有表层的涂层承受交变应力，进而由于涂层与基体之间显著差别的成分和力学性能，导致涂层在复杂交变应力下较快产生疲劳源，而本发明中夹持段的过渡层更多的承担了所受的交变应力，涂层与基体之间由于特殊过渡层的存在，显著减缓了表面涂层与底部基体之间在成分和力学性能方面的差异程度，并通过较厚的特殊过渡层的协调作用，减缓表面涂层疲劳源的出现几率，延缓疲劳裂纹行程后在过渡层中的扩展速度，从而使得光杆的服役寿命得到显著改善。

所述镍基自熔合金涂层22，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基自熔合金涂层22的硬度为30-35HRC，进一步的，硬度优选数值为30HRC，或32HRC，或35HRC。

所述合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，所述夹持段14的所述高镍强韧复合涂层21与所述基材之间形成涂层/基材共存的过渡层，所述过渡层的厚度范围为0.5～1.0毫米，所述过渡层中基材和涂层元素之间的相互扩散层厚度范围不低于0.05毫米。

如上所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）基材粗化和净化：将钢质抽油光杆基材1表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

（2）基材表面织构化处理：按照实际需要，从未镦粗端开始，将抽油光杆基材1依次分为第一过渡段13、夹持段14、第二过渡段15和杆体16，采用激光设备或者机械方法在夹持段14表面制备直线型短条纹141织构化图案，在所述第一过渡段13和第二过渡段15表面的点状凹坑织构化图案，织构化处理过程中抽油光杆基材1保持静止，并在抽油光杆基材1底部采用底托方式固定；

（3）基材表面高镍强韧复合涂层喷涂：采用热喷涂设备将粒度范围在20～100微米的高镍合金基础涂层喷涂到所述基材的第一过渡段和夹持段表面，喷涂厚度0.05～0.15毫米，然后采用同样的方法在所述喷涂层表面继续制备0.05～0.1毫米的包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层，所述硬质固体颗粒外表面具有镍包覆层，所述硬质固体颗粒的添加比例为1%～5%（按质量百分含量计），进一步的，可优选比例为1%，或2.5%，或5%，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动，所述固体颗粒可为纳米金刚石颗粒，或WC颗粒，或TiN颗粒，或SiO₂颗粒等，所述固体颗粒的粒径大小不超过500nm；

（4）基材表面镍基自熔合金涂层喷涂：采用与上一步骤同样的方法在所述基材1的第二过渡段15和杆体16表面制备镍基自熔合金涂层22，涂层厚度0.10～0.25毫米，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（5）合金涂层重熔处理：采用感应加热的方法对上述抽油光杆表面的合金涂层进行重熔处理，针对不同合金涂层成分的需要调整相应的感应加热功率和抽油光杆的移动速度，以获得镜面涂层为准，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（6）将制备上一步骤获得的合金涂层抽油光杆进行表面抛光处理，使得合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，进一步的，可选择厚度为0.05mm，或0.10mm，或0.20mm，即获得具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆。

尽管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 (8)

1.具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，包括基材和位于所述基材表面的合金涂层，所述基材为一长直圆杆，一端为镦粗端，另一端为未镦粗端，其特征在于：从未镦粗端开始，所述基材依次包括第一过渡段、夹持段、第二过渡段和杆体，所述基材的夹持段长1到3米，所述第一过渡段和第二过渡段长0.1到0.5米；所述合金涂层包括高镍强韧复合涂层和镍基自熔合金涂层，所述基材的第一过渡段和夹持段表面制备有所述高镍强韧复合涂层，所述基材的第二过渡段和杆体表面制备有镍基自熔合金涂层；所述基材的第一过渡段、夹持段和第二过渡段表面具有织构化图案；

所述基材的夹持段表面织构化图案为均匀分布的直线型短条纹，所述基材的第一过渡段和第二过渡段表面织构化图案为均匀分布的点状凹坑；

所述夹持段表面的直线型短条纹的长度方向与所述抽油光杆基材的轴线方向平行，所述短条纹长度为10～20毫米，宽度为0.2-0.5毫米，并在所述抽油光杆基材的长度方向错位排列，任意两个所述短条纹均不连接，所述短条纹深度为0.5～1毫米。

2.如权利要求1所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述基材为中低碳钢或低合金钢，残余变形0.2%的屈服强度不低于500 Mpa，抗拉强度不低于800Mpa，延伸率不低于10%，断面收缩率不低于30%。

3.如权利要求1所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述基材的第一过渡段和第二过渡段表面的点状凹坑的密度随着远离所述夹持段而减小，所述点状凹坑的直径为50～100微米，深度为0.1～0.3毫米。

4.如权利要求1所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述高镍强韧复合涂层包括底层和表层的双层结构，所述底层为高镍合金基础涂层，所述表层为包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层。

5.如权利要求4所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述高镍合金基础涂层，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：1.5%～3.0%，B：0.5%～2.0%，Ti：1%～3%，Cu：10%～13%，余量为镍，所述高镍合金基础涂层的硬度为HB120-160。

6.如权利要求1所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述镍基自熔合金涂层，以质量百分比计，其成分组成为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Fe≤5.0%，余量为镍，所述镍基自熔合金涂层的硬度为30-35HRC。

7.如权利要求1所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆，其特征在于：所述合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，所述夹持段的所述高镍强韧复合涂层与所述基材之间形成涂层/基材共存的过渡层，所述过渡层的厚度范围为0.5～1.0毫米，所述过渡层还包括位于基材和涂层界面上的元素之间的相互扩散层，所述扩散层厚度范围不低于0.05毫米。

8.权利要求1-7任意一项所述的具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆的加工方法，主要包括以下步骤：

（1）基材粗化和净化：将钢质抽油光杆基材表面的油污洗净吹干后，进行除锈和粗化处理；

（2）基材表面织构化处理：按照实际需要，从未镦粗端开始，将抽油光杆基材依次分为第一过渡段、夹持段、第二过渡段和杆体，采用激光设备或者机械方法在夹持段表面制备直线型短条纹织构化图案，在所述第一过渡段和第二过渡段表面的点状凹坑织构化图案，织构化处理过程中抽油光杆基材保持静止，并在抽油光杆基材底部采用底托方式固定；

（3）基材表面高镍强韧复合涂层喷涂：采用热喷涂设备将粒度范围在20～100微米的高镍合金基础涂层喷涂到所述基材的第一过渡段和夹持段表面，喷涂厚度0.05～0.15毫米，然后采用同样的方法在所述喷涂层表面继续制备0.05～0.1毫米的包含有硬质固体颗粒的高镍合金基础涂层，所述硬质固体颗粒外表面具有镍包覆层，所述硬质固体颗粒的添加比例为1%～5%，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（4）基材表面镍基自熔合金涂层喷涂：采用与上一步骤同样的方法在所述基材的第二过渡段和杆体表面制备镍基自熔合金涂层，涂层厚度0.10～0.25毫米，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（5）合金涂层重熔处理：采用感应加热的方法对上述抽油光杆表面的合金涂层进行重熔处理，针对不同合金涂层成分的需要调整相应的感应加热功率和抽油光杆的移动速度，以获得镜面涂层为准，喷涂过程中抽油光杆基材同时转动和移动；

（6）将制备上一步骤获得的合金涂层抽油光杆进行表面抛光处理，使得合金涂层厚度范围为0.05～0.20毫米，即获得具有高韧夹持段的镍基合金涂层抽油光杆。

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