專利名稱：在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備wc硬質(zhì)合金耐磨層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆具的修復(fù)再制造方法，特別是涉及一種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的方法，屬于激光熔覆技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉆具穩(wěn)定器是石油鉆井工具防止井斜變化的重要工具，在配備較大剛性鉆鋌和施加較大鉆壓的使用情況下，合理穩(wěn)定器將使井斜變化率和方位變化率較小，提高井身質(zhì)量和鉆井速度，降低鉆井成本。由于穩(wěn)定器的外徑和井眼間隙很小，旋轉(zhuǎn)鉆具使其棱邊易磨損，特別在硬地層會(huì)很快使外徑磨損失效，因此在穩(wěn)定器外徑包覆耐磨材料，耐磨層要求具有下列基本功能:一、將套管磨損狀態(tài)降至最低程度；二、耐磨層的磨損，代替了鉆具接頭和套管的磨損；三、耐久的抗磨壽命，大大減少了起下鉆、重新修焊和往返，運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間及成本。穩(wěn)定器耐磨層的包覆其手段常用以下四種:一、表面鑲嵌硬質(zhì)合金柱；二、表面鑲嵌合金及聚晶復(fù)合體；三、表面低溫釬焊硬質(zhì)合金塊；四、表面堆焊耐磨焊條。堆焊耐磨層工藝由于堆焊層的金相組織粗大，氣孔、裂紋粗大、夾雜較多，堆焊時(shí)硬質(zhì)相分解嚴(yán)重，影響了耐磨層使用，在使用中經(jīng)常出現(xiàn)剝落、耐磨性不夠、壽命低等問(wèn)題。堆焊時(shí)硬質(zhì)相分解嚴(yán)重是難以解決的問(wèn)題。鑲嵌和釬焊硬質(zhì)合金工藝由于穩(wěn)定器在工作時(shí)產(chǎn)生摩擦力較大，WC硬質(zhì)合金在高脆性及鑲嵌和釬焊的低結(jié)合強(qiáng)度造成了使用中出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，使堆焊層耐磨性下降，鉆具使用壽命降低。因此，選擇適當(dāng)?shù)氖豌@具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的工藝方法，使鉆具穩(wěn)定器表面WC硬質(zhì)合金耐磨層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、耐磨性能好、合金涂層的厚度均勻，是當(dāng)前亟待解決的課題。
激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的再制造技術(shù)，近年來(lái)得到了迅速推廣和廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于利用激光熔覆工藝制備設(shè)備部件耐磨合金涂層的專利很多:例如。公開(kāi)號(hào)為CN1202534的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《金屬表面等離子噴涂后激光熔覆制備陶瓷涂層的方法》，該方法是先在金屬表面用等離子噴涂方法制備陶瓷涂層，然后在激光照射的同時(shí)，將陶瓷粉末噴向涂層表面，對(duì)陶瓷涂層進(jìn)行二次熔覆處理。公開(kāi)號(hào)為CN1786272的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《激光熔覆鎳基納米WC/Co預(yù)涂層的制備方法》，該制備方法包括下列步驟:①按每克重的蟲(chóng)膠與10 20克重的無(wú)水乙醇稱量蟲(chóng)膠和無(wú)水乙醇，然后將所述的蟲(chóng)膠加入無(wú)水乙醇中制成粘結(jié)劑；②根據(jù)需要按每克鎳基納米WC/Co粉末與0.1毫升 0.25毫升的粘結(jié)劑的比例，稱量鎳基納米WC/Co粉末和所述的粘結(jié)劑并混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蛑瞥深A(yù)涂膠;③將上述預(yù)涂膠均勻地涂在待激光熔覆處理的工件表面，制成預(yù)涂層烘干。采用自制的粘結(jié)劑制備鎳基納米WC/Co預(yù)涂層，然后再采用激光熔覆工藝，制備出了表面較平整，較細(xì)密、基本消除了裂紋與孔隙并與基體呈冶金結(jié)合的鎳基納米WC/Co復(fù)合涂層。
公開(kāi)號(hào)為 CN101338425的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)給出的《鐵路道岔滑床板表面耐磨抗蝕合金涂層激光熔覆工藝》，包括以下工藝過(guò)程:首先滑床板表面預(yù)處理，即在室溫下對(duì)滑床板表面進(jìn)行除油除銹，并用酒精清洗干凈；然后是合金粉末的預(yù)置，即把待熔覆的鐵基、鎳基或鈷基合金粉末預(yù)置于上述處理后的滑床板表面，并用帶有導(dǎo)軌的刮尺來(lái)調(diào)整預(yù)制合金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有適當(dāng)?shù)暮穸?，以滿足熔覆后涂層厚度的要求；最后是光熔覆強(qiáng)化滑床板，選用氣體CO2激光器，工作臺(tái)為數(shù)控機(jī)床，在滑床板表面進(jìn)行激光熔覆強(qiáng)化?，F(xiàn)有技術(shù)給出的上述技術(shù)方案雖能利用激光熔覆工藝對(duì)部分設(shè)備部件進(jìn)行耐磨涂層處理，并通過(guò)配制適當(dāng)?shù)娜鄹膊牧峡朔思す馊蹖哟嬖诘牧鸭y、氣孔和微觀結(jié)構(gòu)不均勻性的問(wèn)題，取得一定的技術(shù)效果。但對(duì)其他特定的設(shè)備部件，例如像石油鉆具穩(wěn)定器這樣的特殊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的激光熔覆工藝已明顯不能適應(yīng)。經(jīng)本申請(qǐng)人檢索查證:采用激光熔覆工藝完成石油鉆具穩(wěn)定器表面耐磨合金涂層，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，國(guó)外也沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。因此，尋找出適當(dāng)?shù)牟捎眉す馊鄹餐瓿墒豌@具穩(wěn)定器表面耐磨合金涂層的工藝方法，仍需所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員利用公知的激光熔覆技術(shù)，針對(duì)特定的石油鉆具穩(wěn)定器表面耐磨合金涂層制備這一課題進(jìn)一步作出創(chuàng)造性的研究工作，以便能給出令人滿意的激光熔覆制備石油鉆具穩(wěn)定器表面耐磨合金涂層的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種高功率CO2激光器熔覆在鉆井裝置石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的方法。該方法可制備與基體形成冶金結(jié)合的WC硬質(zhì)合金涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕及抗熱裂特性。本發(fā)明給出的技術(shù)方案是:這種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的方法，其特點(diǎn)是包括以下過(guò)程。1、殼體表面預(yù)處理。 在室溫下采用無(wú)水乙醇對(duì)加工部位進(jìn)行除油處理。2、合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)。選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的IN625鎳基合金粉末作為打底層，其化學(xué)成份中主要含有Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb ;其化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.03%,Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、S1:0.4%、Nb:3.8%，余量為 Ni。選用耐磨性高，抗高溫的球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作為工作層，WC重量百分?jǐn)?shù)彡60%, N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分?jǐn)?shù)彡40%，其化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為Ni。調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到0.5—1.2mm。3、高功率激光器熔覆打底合金涂層。選用高功率CO2激光器，以數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設(shè)備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下。聚焦鏡f = 300 400。
熔覆功率P=3000 5000W。光斑直徑D=2—3mm。熔覆掃描速度V=600 1200mm/min。搭接率40 60%。4、高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。可采取兩種加工方式。I)窄帶熔覆加工。采取送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。熔覆功率 P=1500 2500W。光斑直徑D=L 2 3mm。熔覆掃描速度V=150 250m/min。搭接率40 60%。2)寬帶熔覆加 工。采取送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。熔覆功率P=5000 7000W。光斑大小長(zhǎng)X寬=10X1謹(jǐn)。熔覆掃描速度V=300 500m/min。搭接率40 60%。5、熔覆后探傷檢驗(yàn)。要求加工部位無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。本發(fā)明的原理是:在高功率激光束輻照工件表面的同時(shí)，采用自動(dòng)送粉裝置同步向激光熔池送入合金粉末，合金粉末在熔池內(nèi)發(fā)生快速熔化和凝固，形成均勻致密的耐磨抗蝕熔覆層，熔覆層與基體形成牢固的冶金結(jié)合。熔覆層厚度在1.2 — 3mm，硬度、厚度均勻分布。本發(fā)明的激光器類型是高功率CO2氣體激光器，其最高功率是10000W，波長(zhǎng)10.6微米，可實(shí)現(xiàn)窄帶掃描以及寬帶矩形掃描進(jìn)行熔覆。本發(fā)明選用與17-4PH結(jié)合性好的鎳基自熔合金粉末作為打底層。這是因?yàn)檫@種鎳基自熔合金粉末具有優(yōu)良的韌性，高的強(qiáng)度；這樣可以抑制激光熔覆過(guò)程中由于基材與熔覆材料熱物性之間的差異導(dǎo)致產(chǎn)生的組織應(yīng)力。另外在使用過(guò)程中可抑制裂紋向基體擴(kuò)展，延長(zhǎng)殼體使用壽命。選取采用球形WC作為硬質(zhì)抗磨相，采用韌性好強(qiáng)度高的N1-Cr-B-Si合金粉末作為粘接相，減少了裂紋形成，由于球形燒結(jié)WC中的鈷對(duì)WC具有很好的潤(rùn)濕能力，因而使得涂層中的粘結(jié)相和硬質(zhì)相能夠更好的結(jié)合，進(jìn)而提高了涂層的耐磨性、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性。極大提高了殼體使用周期。本發(fā)明通過(guò)用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末作為打底層，合理設(shè)計(jì)并優(yōu)化工藝參數(shù)，進(jìn)行激光快速熔覆，與基材形成牢固的冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)和基體材料良好的韌性過(guò)渡；然后選取采用球形WC作為抗磨相，極大提高了殼體表面耐磨性，采用韌性好強(qiáng)度高的N1-Cr-B-Si合金粉末作為粘接相，減少了裂紋形成，形成均勻致密的優(yōu)良抗熱耐磨復(fù)合涂層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是。1、激光熔覆合金涂層均勻、致密，涂層具有優(yōu)良的耐磨抗蝕性能，采用球形WC作為抗磨相，極大提高了殼體表面耐磨性，采用韌性好強(qiáng)度高的N1-Cr-B-Si合金粉末作為粘接相，減少了裂紋形成，采用本發(fā)明技術(shù)制造的石油鉆具穩(wěn)定器顯著提高了耐磨抗蝕性能和使用壽命。2、采用梯度涂層方式加工，選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末作為打底層，選用耐磨性高的WC硬質(zhì)合金粉末作為工作層，在滿足工作層特性的情況下，保證了工作層與基材良好的結(jié)合強(qiáng)度，且能在使用中抑制裂紋向基體擴(kuò)展。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1。本發(fā)明的在石油鉆具穩(wěn)定器表面激光快速熔覆制備耐磨復(fù)合涂層工藝，包括以下過(guò)程。1.前期機(jī)加。將需進(jìn)行激光熔覆部位由0190mm機(jī)加至0182mm。2.表面預(yù)處理。在室溫下采用無(wú)水乙醇對(duì)加工部位進(jìn)行除油處理。3.合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)。選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的IN625合金粉末作為打底層，選用耐磨性高，抗高溫的球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末與作為工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的單層厚度達(dá)到0.8mm。4.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設(shè)備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下。聚焦鏡f = 400。熔覆功率 P=3000W。光斑直徑D=3mm。溶覆掃描速度V=600mm/min。搭接率40%。5.高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。采取窄帶熔覆加工，以重力送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。WC重量百分?jǐn)?shù)60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分?jǐn)?shù)40%，其化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為Ni。熔覆功率P=2500W。光斑直徑D=3mm。熔覆掃描速度V=200m/min。

搭接率50%。
6.熔覆后探傷檢驗(yàn)。要求加工部位無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。實(shí)施例2。本發(fā)明的在石油鉆具穩(wěn)定器表面激光快速熔覆制備耐磨復(fù)合涂層工藝，包括以下過(guò)程。1.前期機(jī)加。將需進(jìn)行激光熔覆部位由0190mm機(jī)加至0184mm。2.表面預(yù)處理。在室溫下采用無(wú)水乙醇對(duì)加工部位進(jìn)行除油處理。3.合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)。選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末作為打底層，選用耐磨性高，抗高溫的球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末與作為工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到1.2mm。4.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設(shè)備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下。

聚焦鏡f = 400。熔覆功率P=4000W。光斑直徑D=3mm。溶覆掃描速度V=800mm/min。搭接率40%。5.高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。采取寬帶熔覆加工，以重力送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。WC重量百分?jǐn)?shù)65%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分?jǐn)?shù)35%，其化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為Ni。熔覆功率P=6000W。光斑大小長(zhǎng)X寬=10Xlmm。熔覆掃描速度V=500m/min。搭接率50%。6.熔覆后探傷檢驗(yàn)。要求加工部位無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。實(shí)施例3。本發(fā)明的在石油鉆具穩(wěn)定器表面激光快速熔覆制備耐磨復(fù)合涂層工藝，包括以下過(guò)程。1.前期機(jī)加。將需進(jìn)行激光熔覆部位由0190mm機(jī)加至0180mm。2.表面預(yù)處理。在室溫下采用無(wú)水乙醇對(duì)加工部位進(jìn)行除油處理。
3.合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié)。選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末作為打底層，選用耐磨性高，抗高溫的球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末與作為工作層，調(diào)節(jié)送粉裝置，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到1.0mm04.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設(shè)備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下。聚焦鏡f = 400。熔覆功率P=4000W。光斑直徑D=3mm。熔覆掃描速度V=800mm/min。搭接率40%。5.高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。采取寬帶熔覆加工，以重力送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末。WC重量百分?jǐn)?shù)70%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分?jǐn)?shù)30%，其化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為Ni。

熔覆功率P=6000W。光斑大小長(zhǎng)X寬=10Xlmm。熔覆掃描速度V=500m/min。搭接率50%。6.熔覆后探傷檢驗(yàn)。要求加工部位無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。
權(quán)利要求
1.一種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的方法，其特征在于包括以下過(guò)程: (1)殼體表面預(yù)處理 在室溫下采用無(wú)水乙醇對(duì)加工部位進(jìn)行除油處理； (2)合金粉末的選擇和自動(dòng)送粉裝置的調(diào)節(jié) 選用韌性好強(qiáng)度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末粉末作為打底層，其化學(xué)成份按重量百分比為:c:0.03%、Cr:21.5%、Fe:1.4%、Mo:9%、S1:0.4%、Nb:3.8%，余量為Ni ； 選用耐磨性高，抗高溫的球形WC與N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末粉末作為工作層，WC重量百分?jǐn)?shù)≥60%, N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分?jǐn)?shù)≤40%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末的化學(xué)成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為 Ni ； 調(diào)節(jié)送粉裝置 ，使自動(dòng)送粉頭出來(lái)的合金粉末正好落在激光熔池內(nèi)，調(diào)節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達(dá)到0.5—1.2mm ； (3)高功率激光器熔覆打底合金涂層 選用高功率CO2激光器，以數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)，用有機(jī)玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設(shè)備熔覆打底合金；具體工藝參數(shù)如下: 聚焦鏡f = 300 400 熔覆功率P=3000 5000W 光斑直徑D=2—3mm 溶覆掃描速度V=600 1 200mm/mi n 搭接率40 60% ； (4)高功率激光器熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末 可采取以下兩種加工方式: I)窄帶熔覆加工 采取送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末， 熔覆功率P=1500 2500W 光斑直徑D=L 2 3_ 熔覆掃描速度V=150 250m/min 搭接率40 60% ； 或2)寬帶熔覆加工 采取送粉方式喂入合金粉末，在鎳基合金表面熔覆球形WC與N1-Cr-B-Si混合合金粉末； 熔覆功率P=5000 7000W 光斑大小長(zhǎng)X寬=IOXlmm 熔覆掃描速度V=300 500m/min 搭接率40 60% ； (5)溶覆后探傷檢驗(yàn)要求加工部位無(wú)肉 眼可見(jiàn)裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質(zhì)合金耐磨層的方法，其特點(diǎn)是利用高功率激光器，通過(guò)激光快速掃描在殼體表面熔覆與基體成冶金結(jié)合的良好的韌性打底過(guò)渡層，并通過(guò)激光熔覆在打底合金表面制備耐磨及抗蝕性能優(yōu)良的球形WC與Ni-Cr-B-Si混合合金粉末。本發(fā)明通過(guò)制備與基體形成冶金結(jié)合的WC硬質(zhì)合金涂層，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕及抗熱裂特性，同時(shí)激光熔覆工藝對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)輻射、低噪聲，還具有生產(chǎn)率高、能耗低、熔覆層加工余量小、成品率高以及綜合成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C24/10GK103194748SQ201210004250
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者陶興啟, 黃旭東, 陳海濤, 崔忠寶, 王悅賓 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)大陸激光成套設(shè)備有限公司