CN113308629B

CN113308629B - 一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末及应用方法

Info

Publication number: CN113308629B
Application number: CN202110607920.XA
Authority: CN
Inventors: 齐海波; 房鑫亮; 赵星宇; 武姜汝; 郝聪毅; 张硕; 曹雅彬; 韩日宏
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2041-06-01
Also published as: CN113308629A

Abstract

本发明涉及激光熔覆技术领域，提出了一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：C:0.38％～0.46％，Si:2.47％～3％，B:1.23％～1.5％，Cr:14.15％～17.19％，Fe:11.61％～14.1％，Mo:1.68％～1.89％，Y₂O₃:0.5％～1.5％，WC:5～15％，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100％。通过上述技术方案，解决了现有技术中的合金粉末涂层耐磨性较差导致工件使用寿命短的问题。

Description

一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末及应用方法

技术领域

本发明涉及激光熔覆技术领域，具体的，涉及一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末及应用方法。

背景技术

石油装备中的抽油泵柱塞在工作过程中长期与泵筒内壁和一些杂质粒子产生摩擦，同时由于腐蚀介质的存在，导致工件极易产生腐蚀及磨损，降低使用寿命，增加生产成本。因此，柱塞修复及表面强化技术的发展受到石油行业的关注。

目前柱塞的修复及强化方式主要是堆焊及电镀，但均其存在明显缺点。堆焊对基体热影响较大，工件变形严重且修复完表面形貌较差，后期加工成本高；电镀层与基体为机械咬合，涂层容易脱落，且加工过程对环境存在一定污染。激光熔覆技术稀释率低，与基体为冶金结合，熔覆过程自动化，组织均匀晶粒细小，是一种发展前景广阔的表面技术。铁基合金粉耐腐蚀性能和高温摩擦性能较差，相比于钴基合金粉末综合性能较差，但是钴基合金粉末成本较高。

发明内容

本发明提出一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末及应用方法，解决了现有技术中的合金粉末涂层耐磨性较差导致工件使用寿命短的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分：C:0.38％～0.46％，Si:2.47％～3％，B:1.23％～1.5％，Cr:14.15％～17.19％，Fe:11.61％～14.1％，Mo:1.68％～1.89％，Y₂O₃:0.5％～1.5％，WC:5～15％，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100％。

作为进一步的技术方案，所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.38％～0.43％，Si:2.47％～2.6％，B:1.23％～1.39％，Cr:14.15％～15.92％，Fe:11.61％～13.06％，Mo:1.68％～1.89％，Y₂O₃:0.5％～1％，WC:5～10％，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100％。

作为进一步的技术方案，所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.4％，Si:2.48％，B:1.3％，Cr:14.91％，Fe:12.23％，Mo:1.77％，Y₂O₃:1％，WC:15％，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100％。

本发明还提出一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，包括如下步骤：

S1、对石油柱塞钢材基体进行表面预处理：打磨去除表面氧化层，清洗干燥后备用；

S2、将镍基合金粉末充分混合，进行真空干燥后备用；

S3、将S2得到的混合粉末采用同步送粉或预置粉末的方式，在惰性气氛保护下，在石油装备钢材表面进行激光熔覆，得到激光熔覆层。

作为进一步的技术方案，所述步骤S2中，混合在滚筒中进行，滚筒转速20～45r/min，混合时间8～14h。

作为进一步的技术方案，所述步骤S2中，干燥温度为80～120℃，干燥时间为6～10h。

作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，激光熔覆采用光纤激光器或半导体激光器。

作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，激光器波长为900～1070nm，激光功率为1000～1400W，扫描速度为8～20mm/s，光斑直径2～5mm，离焦量为9～15mm，搭接率为40％～60％。

作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，惰性气体为Ar，气体流量为10-20L/min，送粉速率为10-25g/min。

本发明的有益效果为：

1、本发明的合金粉末相比于钴基合金粉末，成本更低，对于关键部位及附加值高的工件来讲性价比最高；针对石油柱塞使用工况，通过成分调整，增加涂层强韧性和硬度，改善合金性能，满足井下使用要求。

2、本发明中添加Y₂O₃和WC硬质相颗粒，Y₂O₃细化熔覆层组织，净化晶界，同时降低熔覆层开裂倾向，WC均匀分布在熔覆层形成第二相强化，显著增加熔覆层硬度；制得的熔覆层表面成形好，硬度高，耐腐蚀性好，显著延长了工件使用寿命。

3、本发明提供了一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末及修复工艺，采用在镍基合金粉末添加稀土氧化物和硬质陶瓷相，通过送粉器将其送至柱塞基体表面，调整离焦量，用激光将镍基合金粉末和柱塞基体同步熔化，并快速凝固成稀释率低、与基体冶金结合良好的熔覆涂层。

4、在镍基合金中按一定比例调整各元素含量同时调整稀土氧化物Y₂O₃和硬质陶瓷相WC的成分配比得到最优成分组合，本发明的技术方案制得的镍基合金粉末形成的激光熔覆强化层表面形貌良好，无裂纹气孔等缺陷；在本发明中Si元素的作用是脱氧造渣，同时和其他元素结合生成一定的硬质相；Mo元素的作用是固溶强化增加涂层硬度值；WC的作用是第二相强化，在提高涂层整体硬度的同时大大增加涂层耐磨性；稀土Y2O3的作用是细化晶粒和净化组织，同时在一定程度上降低WC不规则形状对熔覆层开裂性的影响；本发明对元素Si和元素Mo单独进行了不同成分配比实验，对Y₂O₃和WC含量进行了协同调整实验，通过对比硬度、组织、物相等性能指标选出最优的成分和工艺。本发明在进行了大量实验研究的基础上得到成分配比最优、综合性能最优的熔覆层。

5、本发明通过调整元素配比使熔覆层热膨胀系数与基体相近，减少低熔点共晶相的数量，降低了熔覆层开裂倾向，制得的熔覆层表面形貌良好，硬度高稳定性好，显著提高柱塞使用寿命，降低生产成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为对比例1～5的熔覆层截面显微硬度曲线图；

图2为对比例6～8的熔覆层截面显微硬度曲线图；

图3为实施例1的熔覆层截面显微硬度曲线图；

图4为实施例3合金粉末激光熔覆层横截面的金相组织图；

图5为实施例3合金粉末激光熔覆层表面的金相组织图；

图6为实施例4合金粉末激光熔覆层横截面的金相组织图；

图7为实施例4合金粉末激光熔覆层表面的金相组织图；

图8为实施例3合金粉末激光熔覆层表面的扫描电镜图；

图9为实施例4合金粉末激光熔覆层表面的扫描电镜图；

图10为实施例2～5中激光熔覆层横截面的显微硬度曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。

对比例1

表1初始实验粉末

(1)对基体钢板进行表面预处理:用角磨机打磨去除表面氧化层，将表面打磨平整光亮，无明显粗大划痕，然后使用酒精对基材进行清洗，去除表面油污，干燥后备用。

(2)将称量好的镍基合金粉末放入混粉机中充分混合，得到最终熔覆粉末，机械混粉参数为：滚筒转速45r/min，混合时间10小时，混合完成后放入真空干燥箱进行真空干燥，温度设定为150℃，干燥时间为3小时；

(3)步骤(2)得到的混合粉末采用同步送粉的方式，在惰性气氛保护下进行激光熔覆，得到表面成形良好的镍基激光熔覆层，熔覆功率800W，光斑直径2mm，离焦量10mm，扫描速度8mm/s，送粉量10g/min，保护气20L/min，搭接率50％。

对比例2～5

分别在对比例1粉末中添加2％、4％、6％、8％的Mo元素。采用对比例1中的方式制备镍基激光熔覆层。

熔覆层截面显微硬度(HV)测试方法：

熔覆层使用线切割机切成10*10*10mm³的小块，对横截面试样进行打磨和抛光，用维氏显微硬度计测量熔覆层的显微硬度，从熔覆层顶部到基体，每隔0.2mm打一个点，载荷300g，加载时间15s。

对比例1～5的熔覆层截面显微硬度(HV)结果如图1所示。从图1可以发现，Mo元素的作用是固溶强化增加涂层硬度值，但是实验发现，硬度不是随着Mo元素含量的增多而增大，在本发明的初始粉末成分的基础上只有在添加量为2％时，硬度最高。

对比例6～8

分别在对比例2(添加2％Mo元素)粉末中添加3.5％、4％、4.5％的Si，采用对比例1的方式制备镍基激光熔覆层，并测试熔覆层截面显微硬度(HV)，结果如图2所示，Si元素对显微硬度的影响不大，当Si添加为4.5％时，硬度相对较好。

实施例1

在对比例8的基础上调整Y₂O₃和WC的含量，进行9组实验如下表，按照上述制备方法和测试方法测试对比不同粉末熔覆层的开裂、硬度情况，如图3所示，选出最优成分，得到6号实验结果硬度最合适，其他成分下硬度均出现降低现象。

表2实施例1的Y₂O₃和WC的含量调整

表3实施例1最优组分元素含量

元素	B	C	Cr	Si	Fe	Ni	Mo	Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	WC
										含量％	1.23	0.38	14.15	2.47	11.61	52.48	1.68	1	15

Y₂O₃对镍基合金粉末涂层有净化作用，能减少熔覆层缺陷的产生，而WC作为强化相，可以提升熔覆层整体硬度，同时部分WC溶于基体能继续增加基体硬度，因此，将一定比例的Y₂O₃和WC混合加入熔覆层中有利于得到高性能的涂层。在9组单层熔覆实验中，均未出现开裂现象，从图3可以看出，在WC含量一定的情况下，Y₂O₃含量的变化没有对涂层硬度造成明显影响；在Y₂O₃含量一定的情况下，随着WC含量的增加，硬度有所增加，WC含量增加到15％时硬度最大，当WC含量。通过对组织和硬度的综合分析，确定Y₂O₃的最佳含量范围为0.5％～1％，WC的最佳含量范围为10％～15％，即Y₂O₃：WC为1:(10～30)时，对涂层的综合性能较好，过大或过小都会导致裂纹和组织性能，其中性能最优的配方为Y₂O₃：1％，WC：15％，熔覆层无裂纹、组织性能良好。

实施例2

本实施例中一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.43％，Si:2.78％，B:1.39％，Cr:15.92％，Fe:13.06％，Mo:1.89％，Y₂O₃:0.5％，WC:5％，Ni:59.03％。

一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用，具体包括以下步骤：

(1)对基体钢板进行表面预处理：用角磨机打磨去除表面氧化层，将表面打磨平整光亮，无明显粗大划痕，然后使用酒精对基材进行清洗，去除表面油污，干燥后备用。

(2)将称量好的镍基合金粉末放入混粉机中充分混合，得到最终熔覆粉末，机械混粉参数为：滚筒转速40r/min，混合时间12小时，混合完成后放入真空干燥箱进行真空干燥，温度设定为100℃，干燥时间为3小时；

(3)步骤(2)得到的混合粉末采用同步送粉的方式，在惰性气氛保护下进行激光熔覆，得到表面成形良好的镍基激光熔覆层，熔覆功率1200W，光斑直径2mm，离焦量10mm，扫描速度12mm/s，送粉量20g/min，保护气20L/min，搭接率50％。熔覆完成后用角磨机打磨熔覆层表面，去除表面浮渣。

实施例3

本实施例中一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.38％，Si:2.48％，B:1.24％，Cr:14.24％，Fe:11.68％，Mo:1.69％，Y₂O₃:0.5％，WC:15％，Ni:52.79％。

(2)将称量好的镍基合金粉末放入混粉机中充分混合，得到最终熔覆粉末，机械混粉参数为：滚筒转速35r/min，混合时间12小时，混合完成后放入真空干燥箱进行真空干燥，温度设定为120℃，干燥时间为5小时；

(3)步骤(2)得到的混合粉末采用同步送粉的方式，在惰性气氛保护下进行激光熔覆，得到表面成形良好的镍基激光熔覆层，熔覆功率1000W，光斑直径3mm，离焦量10mm，扫描速度10mm/s，送粉量15g/min，保护气20L/min，搭接率50％。

实施例4

本实施例中一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.38％，Si:2.47％，B:1.23％，Cr:14.15％，Fe:11.61％，Mo:1.68％，Y₂O₃:1％，WC:15％，Ni:52.47％。

(2)将称量好的镍基合金粉末放入混粉机中充分混合，得到最终熔覆粉末，机械混粉参数为：滚筒转速30r/min，混合时间14小时，混合完成后放入真空干燥箱进行真空干燥，温度设定为120℃，干燥时间为6小时；

(3)步骤(2)得到的混合粉末采用同步送粉的方式，在惰性气氛保护下进行激光熔覆，得到表面成形良好的镍基激光熔覆层，熔覆功率1200W，光斑直径2mm，离焦量10mm，扫描速度12mm/s，送粉量20g/min，保护气20L/min，搭接率40％。

实施例5

本实施例中一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，按质量百分数计，包括以下组分:C:0.4％，Si:2.6％，B:1.3％，Cr:14.91％，Fe:12.23％，Mo:1.77％，Y₂O₃:1.5％，WC:10％，Ni:55.29％。

将实施例3和实施例4中得到的熔覆层使用线切割机切成10*10*10mm³的小块，镶嵌制样并打磨抛光，使用配置好的腐蚀液(1硝酸：4盐酸)进行腐蚀，观察熔覆层表面和截面的金相组织形貌，实施例3如图4、5所示，实施例4如图6、7所示，可以看出熔覆层与基体结合良好，涂层中无明显缺陷，组织由柱状晶和树枝晶组成，分布均匀。

利用ZEISS EVO18扫描电子显微镜观察熔覆层表面微观形貌及析出相分布状态；实施例3的观察结果如图8所示，实施例3的观察结果如图9所示；由图可以看出WC颗粒与熔覆层基体材料结合良好，部分WC溶解使得颗粒形貌变得圆滑，WC周围有大量析出相均匀分布。

将实施例2～5的熔覆层按照上述方法测试截面显微硬度，结果如表4和图10所示(实施例2～5分别编号为1#～4#)。

表4实施例2～5的熔覆层截面显微硬度

实施例2～5得到的熔覆层硬度较基体有所提高，以实施例4为例，熔覆层横截面平均硬度值为455.1HV，基体硬度平均值为349.7HV，熔覆层硬度较基体提高了30.1％；熔覆层纵截面由于与基体结合部位受基体稀释作用影响硬度值有所降低，从熔覆层到基体的硬度值变化可以看出硬度过渡平缓，体现出熔覆层与基体为良好的冶金结合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分：C:0.38%~0.43%，Si:2.47%~2.6%，B:1.23%~1.39%，Cr:14.15%~14.91%，Fe:11.61%~13.06%，Mo:1.77%，Y₂O₃:1%，WC:15%，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末，其特征在于，按质量百分数计，包括以下组分: C:0.4%，Si:2.48%，B:1.3%，Cr:14.91%，Fe:12.23%，Mo:1.77%，Y₂O₃:1%，WC:15%，余量为Ni和不可避免的杂质，所有组分质量百分比之和为100%。

3.一种如权利要求1所述的用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2、将镍基合金粉末充分混合，进行真空干燥后备用；

4.根据权利要求3所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，所述步骤S2中，混合在滚筒中进行，滚筒转速20~45r/min，混合时间8~14h。

5.根据权利要求3所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，所述步骤S2中，干燥温度为80~120℃，干燥时间为6~10h。

6.根据权利要求3所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，所述步骤S3中，激光熔覆采用光纤激光器或半导体激光器。

7.根据权利要求6所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，所述步骤S3中，激光器波长为900~1070nm，激光功率为1000~1400W，扫描速度为8~20mm/s，光斑直径2~5mm，离焦量为9~15mm，搭接率为40%~60％。

8.根据权利要求3所述的一种用于石油柱塞激光熔覆的镍基合金粉末的应用方法，其特征在于，所述步骤S3中，惰性气体为Ar，气体流量为10~20 L/min，送粉速率为10~25 g/min。