CN114951642A - 一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆工艺方法，包括以下步骤：1）钻杆预处理；2）配制熔覆粉末；3）激光熔覆耐磨带；4）后处理。该钛合金钻杆采用激光熔覆耐磨带的方法，通过熔覆含Ti量较高的合金粉末，增加耐磨带和钛合金接头材料的熔合性，在粉末中添加Si、B等元素减少钛合金氧化物对耐磨带结合力的不利影响，粉末中添加的石墨和Ti反应原位生成耐磨增强相，提高耐磨带硬度和耐磨性能。该方法能够实现在钛合金钻杆接头上熔覆结合力强、稀释率高、组织均匀、耐磨性好的耐磨带，减少钛合金接头磨损引起的失效。

Description

一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及石油钻采设备领域，具体涉及一种钛合金钻杆，尤其是一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆方法。
背景技术
钛合金具有质量轻、比强度高、弹性模量小、耐腐蚀等优势性能，使用钛合金钻杆钻井能够提高钻井效率、减少钻井能耗，降低腐蚀和疲劳的失效风险。钛合金钻杆是超短半径水平井钻井、侧钻改造的一项利器。但是钛合金钻杆和钢制钻杆一样，同样在钻井过程中面临着和井壁、套管摩擦碰撞的问题，钛合金钻杆接头抗磨损性能直接影响其使用寿命。
目前钻杆生产中，钢制钻杆常用的耐磨带焊接工艺，通过采用铁基耐磨带药芯焊丝堆焊，在接头表面制成环形的耐磨带，耐磨带将钻杆接头与井壁、套管隔离，起到有效保护钻杆接头的作用。耐磨带焊丝一般为铁基焊丝，添加C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Nb、V、Al、B等元素调节硬度和耐磨性，焊后硬度在60HRC左右。焊接前需对接头进行预热除污，同时还可降低焊接中冷却速度过快产生的耐磨带开裂、脱落风险。
在进行钛合金钻杆研发过程中，分析和实验后发现钛合金材料由于其材料特性与钢铁材料差异大，不适应现有的耐磨带焊接技术。钛合金易氧化，氧化层熔点高、难分解，会阻碍钛基体与耐磨带的元素扩散和反应，使耐磨带材料和钛合金基体不能形成良好的冶金结合，焊前预热使钛合金表面氧化层增多，反而使其与焊层结合力下降。同时，钛合金导热系数小，焊接时表面温度过高导致焊渣飞溅，耐磨带成型质量效果差。
采用铁基焊丝进行耐磨带焊接出现熔覆层气孔多、结合力差的问题，铁基材料与钛合金反应易产生TiFe、TiFe2、Ti2Fe等金属间化合物，对耐磨带质量产生不利影响。专利CN106086877A公开了一种提高钛合金表面耐磨性的方法，实现方式是在钛合金表面预置镍基或钽镍合金粉末，在惰性气氛中对钛合金基体表面的涂层材料进行激光熔覆。在实际的应用中发现钛合金表面熔覆镍基合金涂层，Ni在熔池中与Ti反应生成Ti2Ni相，具有显著的脆性特征，熔覆涂层易开裂，该方法实际应用还需对工艺进行调整。
发明内容
本发明提供一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆方法，具体为配制石墨、Ti、Cr、Ni、Si、B和Fe的合金粉末，采用激光熔覆方法，在钛合金表面熔覆耐磨带，与钛合金接头形成冶金结合，耐磨带层含有原位自生的增强相，提高钛合金钻杆接头耐磨性。
本发明的具体技术方案是：
1）清理钛合金钻杆接头表面准备进行激光熔覆；
2）配制含石墨、Ti、Cr、Ni、Si、B和Fe的熔覆合金粉末；
3）对钛合金钻杆激光熔覆耐磨带，形成结合力强、耐磨性好的耐磨带层；
4）打磨激光熔覆的耐磨带表面，使钻杆耐磨带部分厚度均匀一致。
进一步的，所述钛合金钻杆接头清理方法是采用钢丝刷清洁钛合金钻杆接头表面的杂物和氧化层；
进一步的，所述的激光熔覆粉选用的含石墨、Ti、Cr、Ni、Si、B和Fe的合金粉末，粒径为40-150μm，配置粉末后各元素质量含量为30-38%Ti、7-12%C、18-23%Cr、20-25%Ni、3-5%Si、5-10%B、Fe＜3%。
进一步的，所述的熔覆粉末按比例混合后需在球磨机中混合4-6h，充分混合均匀后使用。
进一步的，所述的激光熔覆设备采用光纤激光器，在氩气氛围保护下进行。激光功率为1.3-1.5kW，扫描速度4-5mm/s,送粉速度8-9g/min，光斑直径0.4-0.7mm。
进一步的，所述的激光熔覆中钛合金钻杆接头水平转动，转速为6-15r/min,焊道搭接率为25-30%。
进一步的，所述的打磨激光熔覆的耐磨带表面，去除焊渣和表面气孔，打磨后耐磨带厚度为2.5±0.4mm，硬度为50-60HRC。
与现有技术相比，本发明提供了一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末及其激光熔覆工艺方法，具备以下有益效果：
1、该钛合金钻杆激光熔覆耐磨带方法，通过提高熔覆粉末中Ti的含量，提高熔覆材料和钛合金接头基体的熔合性能，解决了铁基耐磨带与钛合金钻杆熔覆性能差、结合力差的问题。熔覆粉末中添加石墨，在激光作用下融化并混合发生化学反应可以生成Ti-C化合物，TiC原位生成相为耐磨带层提高强度、硬度和耐磨性能，未完全熔化的石墨能为耐磨带层提供优良的自润滑特性。
2、该钛合金钻杆激光熔覆耐磨带方法，采用激光作为热源，激光功率为1.3-1.5kW，扫描速度4-5mm/s,送粉速度8-9g/min，光斑直径0.4-0.7mm，这样热输入量可控，钛合金熔深较大，粉末和基体熔融后有充足的空间进行反应，有助于形成均匀、具有一定厚度的耐磨带层组织，同时还可减少对基体组织性能的影响。
3、该钛合金钻杆激光熔覆耐磨带方法，取消钻杆接头焊耐磨带前的预热工序，对接头表面清洁后直接进行激光熔覆，同时采用聚集性高的激光作为热源，避免在钛合金表面形成大范围热量聚集，减少钛合金氧化层对耐磨带熔覆效果的影响。
4、熔覆粉末中添加的Si、B元素具有脱氧、还原性，能够去除氧化层中的O元素，提高耐磨带层与钛合金基体的结合力。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。30-38%Ti、7-12%C、18-23%Cr、20-25%Ni、3-5%Si、5-10%B、Fe＜3%。
实施例一：
TC4钛合金钻杆接头，用钢丝刷清洁钛合金钻杆接头表面的杂物和氧化层，配置熔覆粉末，粉末中各元素质量含量为30%Ti、7%C、23%Cr、25%Ni、3Si、10%B和2%Fe，粒径范围在150-200μm，在球磨机中混合6h。激光熔覆设备采用光纤激光器，在氩气氛围保护下进行，激光功率为1.5kW，扫描速度4mm/s,送粉速度8g/min，光斑直径0.5mm，钛合金钻杆接头转速为6r/min,焊道搭接率为30%，激光熔覆后打磨耐磨带表面，最终成型耐磨带表面平整，搭接连续，表面观察未见明显裂纹，无损探伤合格，厚度为2.8mm左右，表面硬度在58HRC左右，取样进行压扁实验耐磨带与钛合金基体界面无裂纹，结合力良好。
实施例二：
TC4钛合金钻杆接头，用钢丝刷清洁钛合金钻杆接头表面的杂物和氧化层，配置熔覆粉末，粉末中各元素质量含量为38%Ti、12%C、18%Cr、20%Ni、5%Si、5%B和2%Fe，粒径范围在150-200μm，在球磨机中混合6h。激光熔覆设备采用光纤激光器，在氩气氛围保护下进行，激光功率为1.3kW，扫描速度5mm/s,送粉速度9g/min，光斑直径0.6mm，钛合金钻杆接头转速为为15r/min,焊道搭接率为25%，激光熔覆后打磨耐磨带表面，最终成型耐磨带，搭接连续，表面观察未见明显裂纹，无损探伤合格，厚度为2.3mm左右，表面硬度在54HRC左右，取样进行压扁实验耐磨带与钛合金基体界面无裂纹，结合力良好。
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多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末，其特征在于，它用的含石墨、Ti、Cr、Ni、Si、B和Fe的合金粉末，粒径为40-150μm，配置粉末后各元素质量含量为30-38%Ti、7-12%C、18-23%Cr、20-25%Ni、3-5%Si、5-10%B、Fe＜3%。
2.一种钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）清理钛合金钻杆接头表面准备进行激光熔覆；
2）配制如权利要求1所述的含石墨、Ti、Cr、Ni、Si、B和Fe的钛合金钻杆接头耐磨带粉末；
3）对钛合金钻杆接头进行激光熔覆耐磨带，形成结合力强、耐磨性好的耐磨带层；
4）打磨激光熔覆的耐磨带表面，使钻杆耐磨带部分厚度均匀一致。
3.根据权利要求2所述的钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，采用钢丝刷清洁钛合金钻杆接头表面的杂物和氧化层。
4.根据权利要求2所述的钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，其特征在于，熔覆粉末按比例混合后需在球磨机中混合4-6h，充分混合均匀后使用。
5.根据权利要求2所述的钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆采用光纤激光器，在氩气氛围保护下进行，激光功率为1.3-1.5kW，扫描速度4-5mm/s,送粉速度8-9g/min，光斑直径0.4-0.7mm。
6.根据权利要求2所述的钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆中钛合金钻杆接头水平转动，转速为6-15r/min，焊道搭接率为25-30%。
7.根据权利要求2所述的钛合金钻杆接头耐磨带粉末的激光熔覆方法，其特征在于，激光熔覆后打磨耐磨带，去除焊渣和表面气孔，打磨后耐磨带厚度为2.5±0.4mm，硬度为50-60HRC。
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