本發(fā)明涉及一種適合于激光熔覆的合金粉末材料，特別涉及一種適用于石油鉆具的硬度較高、耐磨性能較好的原為生成陶瓷相增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
石油鉆具是石油及天然氣鉆采設(shè)備的重要部件，是石油專業(yè)管材的重要組成部分，具體包括鉆鋌、鉆桿、轉(zhuǎn)換接頭、扶正器等，石油鉆具的質(zhì)量和使用壽命將直接影響整個(gè)石油鉆采工程的經(jīng)濟(jì)效益。石油鉆具的主要作用包括加深鉆井深度、傳遞扭矩、提供鉆井液循環(huán)的通道、提供切削地層的鉆壓等。石油鉆具的工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，需要承受各種載荷，如拉伸、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等，同時(shí)還受到嚴(yán)重的磨損。例如石油鉆具中鉆桿，其主要作用是傳遞扭矩和輸送鉆井液，工作過程中鉆桿接頭和管套發(fā)生強(qiáng)烈的磨損，還有石油鉆具中的扶正器，其主要作用是防斜打直，修正井壁，降低井斜變化率和方位變化率，工作過程中扶正器隨鉆柱一起鉆進(jìn)，棱邊極易磨損。為了減輕石油鉆具在工作工程中受到的嚴(yán)重磨損，通常在石油鉆具的表面包覆一層耐磨材料，使其能夠大大提高石油鉆具的抗磨壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。
目前，傳統(tǒng)的石油鉆具耐磨涂層是由一些常規(guī)的合金粉末加入硬質(zhì)陶瓷相組成。這種方式獲得的涂層總存在一些缺點(diǎn)，如外加顆粒與熔覆合金在高溫下很容易發(fā)生作用，從而導(dǎo)致陶瓷相的燒損；外加顆粒因表面污染，使該界面成為低強(qiáng)度低韌性的弱界面，與基體結(jié)合性差，且易產(chǎn)生裂紋等。
激光熔覆工藝作為一種新型的表面改性技術(shù)，其具有冷速快，凝固組織細(xì)化、熱輸出小，工件變形少以及涂層稀釋率低等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用到石油鉆具耐磨帶的制備中。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，通過反復(fù)研究改進(jìn)，給出了一種激光熔覆石油鉆具耐磨合金粉末材料，本發(fā)明給出的這種激光熔覆石油鉆具耐磨合金粉末材料，其硬度較高，耐磨性能好，是適用于激光熔覆工藝的原位生成陶瓷相增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，作為石油鉆具耐磨帶涂層，能有效減少石油鉆具在工作過程中的磨損。
本發(fā)明給出的技術(shù)方案是：這種激光熔覆石油鉆具耐磨合金粉末材料，是在高鉻鐵基材料的基礎(chǔ)上通過添加V、C等元素，原位生成VC陶瓷相進(jìn)行強(qiáng)化，同時(shí)配合添加其他元素，共同起到提高強(qiáng)度、細(xì)化組織等作用，獲得無裂紋、氣孔等缺陷的具有良好耐磨性能的熔覆層。其中各組分的加入量按重量百分?jǐn)?shù)為。
C 3.2~3.6%，Cr 15.2~15.5%，Ni 1.9~2.3%，Si 1.0~1.4%，Mn 0.3~0.6%，Mo 0.9~1.2%，V 15.5~15.9%，Zr 0.06~0.09，余量為Fe。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明給出的這種合金粉末的特點(diǎn)在于以Fe為基礎(chǔ)合金，因?yàn)槠鋪碓磸V泛，價(jià)格低廉，與鋼鐵材料成分接近、結(jié)合強(qiáng)度高，相熔性好且抗磨性和耐蝕性較好。粉末中生成的VC顆粒除了具有高熔點(diǎn)、高硬度、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有原位生成陶瓷相自有的優(yōu)點(diǎn)：陶瓷相是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，與金屬基體的浸潤良好，界面結(jié)合強(qiáng)度高；基體與陶瓷相之間界面干凈無污染，還避免了陶瓷相在增強(qiáng)的同時(shí)產(chǎn)生裂紋源；生成的陶瓷相彌散細(xì)小，分布均勻，空隙率小。另外，合金粉末中的鉻含量較高，可與粉末中的碳元素形成適量的碳化鉻，提高涂層的硬度和耐磨性能；在粉末中加入適量的硅使粉末具有一定的自脫氧、造渣能力，提高液態(tài)金屬的潤濕能力，同時(shí)鎳的加入可以大幅度提高熔覆層的耐蝕性能，還能夠細(xì)化晶粒，提高熔覆層的強(qiáng)度；稀土元素Zr能夠起到使組織均勻細(xì)化的作用。通過調(diào)整各元素間成分的配比，使得到的熔覆層無夾雜、氣孔以及裂紋等缺陷，且耐磨損性能優(yōu)異，適合作為石油鉆具耐磨材料。
此外，為了獲得良好的力學(xué)性能，微觀組織以及與基體結(jié)合良好的均勻致密的涂層，還需采用合適的激光熔覆工藝參數(shù)。通過優(yōu)化調(diào)整激光熔覆工程中的激光功率、掃描速度、送粉速度等，本發(fā)明給出了較合適的激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率 3600~4000W，掃描速度400~600mm/min，送粉率11~15g/min，光斑直徑4×1mm，氬氣保護(hù)。通過激光加熱，涂層中原位生成陶瓷顆粒硬質(zhì)相VC，可以大大減輕石油鉆具的磨損情況，提高石油鉆具的使用壽命。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供試用于石油鉆具的激光熔覆粉末進(jìn)行具體說明。
實(shí)施例1。
(1)表面預(yù)處理。
對(duì)需要進(jìn)行激光熔覆的石油鉆具表面進(jìn)行油污、雜質(zhì)等處理。
(2)粉末成份配比。
提供一種與基體材料結(jié)合性好的鐵基耐磨材料，其中原位生成的VC顆粒彌散分布于母材當(dāng)中，其硬度高、與母材結(jié)合良好，界面干凈無污染，更大限度地提高了材料的耐磨性能及熔覆性能。按所需成分配比粉末并充分混合。各合金元素的重量百分?jǐn)?shù)為：C 3.2%，Cr 15.2%，Ni 1.9%，Si 1.2%，Mn 0.4%，Mo 0.9%，V 15.6%，Zr 0.06，余量為Fe。
(3)送粉方式及送粉量選擇。
采用同步送粉的方式進(jìn)行激光熔覆，使粉末直接落入熔池當(dāng)中，送粉量為11.2g/min。
(4)CO2氣體激光器激光熔覆。
使用DL-HL-T5000型CO2氣體激光器進(jìn)行激光熔覆，并在熔覆過程中以氬氣作為保護(hù)氣體。其中工藝參數(shù)為：
熔覆功率P=3800W
光斑直徑D=4mm
掃描速度V=400mm/min
搭接率為50%。
(5)熔覆后探傷檢驗(yàn)。
要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。
實(shí)施例2。
(1)表面預(yù)處理。
對(duì)需要進(jìn)行激光熔覆的石油鉆具表面進(jìn)行油污、雜質(zhì)等處理。
(2)粉末成份配比。
提供一種與基體材料結(jié)合性好的鐵基耐磨材料，其中原位生成的VC顆粒彌散分布于母材當(dāng)中，其硬度高、與母材結(jié)合良好，界面干凈無污染，更大限度地提高了材料的耐磨性能及熔覆性能。按所需成分配比粉末并充分混合。各合金元素的重量百分?jǐn)?shù)為：C 3.4%，Cr 15.3%，Ni 1.9%，Si 1.2%，Mn 0.5%，Mo 1.0%，V 15.8%，Zr 0.07，余量為Fe。
(3)送粉方式及送粉量選擇。
采用同步送粉的方式進(jìn)行激光熔覆，使粉末直接落入熔池當(dāng)中，送粉量為13.3g/min。
(4)CO2氣體激光器激光熔覆。
使用DL-HL-T5000型CO2氣體激光器對(duì)環(huán)槽端面進(jìn)行激光熔覆，并在熔覆過程中以氬氣作為保護(hù)氣體。其中工藝參數(shù)為：
熔覆功率P=3600W
光斑直徑D=4mm
掃描速度V=500mm/min
搭接率為50%。
(5)熔覆后探傷檢驗(yàn)。
要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。
實(shí)施例3。
(1)表面預(yù)處理。
對(duì)需要進(jìn)行激光熔覆的石油鉆具表面進(jìn)行油污、雜質(zhì)等處理。
(2)粉末成份配比。
提供一種與基體材料結(jié)合性好的鐵基耐磨材料，其中原位生成的VC顆粒彌散分布于母材當(dāng)中，其硬度高、與母材結(jié)合良好，界面干凈無污染，更大限度地提高了材料的耐磨性能及熔覆性能。按所需成分配比粉末并充分混合。各合金元素的重量百分?jǐn)?shù)為：C 3.5%，Cr 15.3%，Ni 2.1%，Si 1.3%，Mn 0.5%，Mo 1.1%，V 15.7%，Zr 0.06，余量為Fe。
(3)送粉方式及送粉量選擇。
采用同步送粉的方式進(jìn)行激光熔覆，使粉末直接落入熔池當(dāng)中，送粉量為14.8g/min。
(4)CO2氣體激光器激光熔覆。
使用DL-HL-T5000型CO2氣體激光器對(duì)環(huán)槽端面進(jìn)行激光熔覆，并在熔覆過程中以氬氣作為保護(hù)氣體。其中工藝參數(shù)為：
熔覆功率P=4000W
光斑直徑D=4mm
掃描速度V=600mm/min
搭接率為50%。
(5)熔覆后探傷檢驗(yàn)。
要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。