本發(fā)明涉及石油鉆探領(lǐng)域，尤其是涉及一種等離子噴涂及感應(yīng)重熔后處理制備鉆桿接頭耐磨帶方法。

背景技術(shù)：

隨著世界性油氣能源的不斷減少，油氣勘探開發(fā)的難度進一步增加，在鉆進過程中鉆具的工況條件越來越惡劣，鉆桿接頭和套管的磨損問題越來越突出，輕則降低鉆桿的抗扭抗彎強度和套管柱的抗詆毀抗內(nèi)壓強度，重則造成全井的報廢，大大增加的開采成本。目前在石油鉆桿接頭堆焊耐磨帶是有效保護鉆桿和套管的有效措施。

鉆桿接頭耐磨帶以一定的耐磨減摩性能，保護鉆桿和套管，避免強烈磨損。從工作機理上講，鉆桿接頭耐磨帶利用自身的耐磨性，將鉆桿外壁與套管內(nèi)壁隔離，使鉆桿接頭與套管或井壁不接觸，從而保護鉆桿接頭。目前國內(nèi)外采用的耐磨帶主要包括以下幾種：1)堆焊硬質(zhì)合金，堆焊過程中，硬質(zhì)相易分解，且在使用過程中磨損機制為磨粒磨損，容易造成套管大量磨損；2)美國安科技術(shù)公司研發(fā)了arnco系列耐磨帶，其具有硬度高，堅韌，高耐磨，套管友好，可保證堆焊過程無裂紋等特點，但其價格昂貴，一般國內(nèi)油田無法承受；3)國內(nèi)方面，nate505j耐磨帶材料、nate707j耐磨帶材料、pt100耐磨帶材料、botn3000耐磨帶材料、金剛石復合材料鉆桿接頭防磨材料等只在一些專業(yè)刊物上偶有報道且大多為參考國外成型產(chǎn)品，并且大多數(shù)仍然停留在研究和試驗階段并沒有大規(guī)模量產(chǎn)并投入應(yīng)用。

經(jīng)本申請人檢索查證：采用等離子噴涂加感應(yīng)重熔后處理工藝制備nicrbsi-tin復合梯度涂層耐磨帶的方法國內(nèi)外尚無先例。因此，尋找出適當?shù)牟捎玫入x子噴涂重熔后處理工藝在石油鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin梯度復合涂層耐磨帶的工藝參數(shù)，仍需所屬技術(shù)領(lǐng)域的工作人員進一步做創(chuàng)造性的研究工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)對在石油鉆桿表面制備鉆桿接頭耐磨帶存在的問題，提供一種鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin梯度復合涂層耐磨帶的方法，該方法利用等離子噴涂加感應(yīng)重熔后處理工藝制備梯度耐磨帶涂層，通過梯度和感應(yīng)重熔參數(shù)的選擇，在工件表面制備梯度耐磨涂層，然后對工件進行重熔處理，形成均勻致密的耐磨涂層，涂層與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合。本發(fā)明工藝操作簡單可行性高，磨損性能顯著提高，對磨材料的磨損較少，價格低。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin梯度復合涂層耐磨帶的方法，包括以下步驟：

(1)基體材料表面預(yù)處理

鉆桿接頭作為基體材料，用無水乙醇對基體材料進行清洗，然后進行噴砂處理；

(2)梯度涂層的制備

按照下面復合梯度涂層中各層中nicrbsi與ti粉的比例準備各層的混合粉末，將各層的混合粉末分別放入研磨機中混合，噴涂前粉末再在100～110℃烘干0.7～1.2小時，然后依次進行各層的等離子噴涂；

其中，梯度涂層中各層的成分為：第一層100％nicrbsi，第二層95～100％nicrbsi+0～5％ti，第三層90～95％nicrbsi+5～10％ti，第四層85～90％nicrbsi+10～15％ti，第五層80～85％nicrbsi+15～20％ti，第六層75～80％nicrbsi+20～25％ti，第七層70～75％％nicrbsi+25～30％ti，所述的百分比例均為比例為質(zhì)量比；

噴涂時基體材料的旋轉(zhuǎn)速度為10～20r/min，

等離子噴涂參數(shù)為：電壓：70～90v；電流：400～600a；送粉速度：0.5g～0.9/min；噴涂距離：100～150mm；氬氣流量：2000～3000l/h；氮氣流量：50～100l/h；每層厚度50～100μm；涂層總厚度為400～700μm；

(3)涂層的感應(yīng)重熔后處理

在經(jīng)過復合梯度噴涂后的鉆桿接頭上涂上厚度為0.2～0.3mm高溫抗氧化涂料，然后采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備進行感應(yīng)熔處理，感應(yīng)加熱溫度為1100～1200℃，感應(yīng)重熔的工藝參數(shù)為：重熔電流600～900a，重熔時間30～70s；

所述的高溫抗氧化涂料具體為硅酸鹽抗氧化防脫碳涂料。

所述的nicrbsi粒度大小為50～150μm，其成分按質(zhì)量百分含量為：c：0.5～1.0％、si：3.5～4.0％、b：3.0～3.5％、fe：14.0～14.30％、cr：19.30～19.50％、ni余量；ti粉的粒度大小為20～50μm。

所述的高溫抗氧化涂料優(yōu)選為二氧化硅耐火陶瓷抗氧化涂料。

所述的步驟(1)中的噴砂處理最終獲得表面粗糙度優(yōu)選為50～70μm。

所述的步驟(2)中噴涂前還包括用噴槍對基體材料進行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100～200℃，預(yù)熱時間為5～10秒。

本發(fā)明的實質(zhì)性特點為：

通過韌性好，強度高且與基體冶金相容性良好的鎳基合金粉末nicrbsi作為主要原料，進行感應(yīng)重熔后處理，得到與基體形成良好的冶金結(jié)合的涂層，實現(xiàn)和基體材料良好的韌性過渡，然后選用ti粉作為第二種原料，通過原位反應(yīng)生成tin作為耐磨相，提高了耐磨帶的耐磨、減摩性能，極大提高了石油鉆桿的使用周期。

本發(fā)明的有益效果：

1、把具有高強度、高韌性、高耐磨性和優(yōu)良減摩性的tin通過制備復合涂層的方法用于石油鉆探行業(yè)的鉆桿接頭耐磨帶，解決鉆探行業(yè)的耐磨和減摩問題，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)合強度，且能在使用過程中抑制裂紋向基體擴展，極大的增大了石油鉆具的使用壽命。

2、通過涂層成分梯度化分布消除宏觀界面，緩和制備及使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高涂層與基體間的結(jié)合強度，提高涂層耐磨帶的穩(wěn)定性。

3、等離子噴涂后感應(yīng)重熔處理的涂層致密均勻，無明顯裂紋氣孔等缺陷，涂層具有優(yōu)良的耐磨減摩性能，涂層中組織晶粒細小，形成的tin和細小的富cr增強相均勻的分布在涂層的基體上，極大提高了涂層的耐磨損性能。

4、等離子噴涂制備的nicrbsi-tin耐磨帶的制造成本大大降低，耐磨帶的平均硬度高于1000hv0.1(而當前其他耐磨帶的硬度800左右)，且硬度分布均勻，可以大幅降低鉆桿對套管的磨損，從而促進石油鉆井工程中超深井，大斜度景，大位移井和水平鉆井的發(fā)展。

附圖說明

圖1：實施例1中nicrbsi-tin梯度涂層的截面sem照片；

圖2：實施例2中nicrbsi-tin梯度涂層的截面sem照片；

圖3：實施例3中nicrbsi-tin梯度涂層的截面sem照片；

圖4：實施例2中nicrbsi-tin梯度涂層的表面sem照片；

圖5：實施例1中nicrbsi-tin復合涂層的xrd圖。

具體實施方式

本發(fā)明所述的鎳基合金粉nicrbsi為公知市售產(chǎn)品：nicrbsi粒度大小為50～150μm，其成分按質(zhì)量百分含量為：c：0.5～1.0％、si：3.5～4.0％、b：3.0～3.5％、fe：14.0～14.30％、cr：19.30～19.50％、ni余量；金屬ti粉的純度為99.99％，其中的粒度大小為20～50μm；

實施例1

在石油鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin復合涂層耐磨帶的方法，包括以下過程：

(1)基體材料表面預(yù)處理

在室溫下采用無水乙醇對鉆桿接頭行清洗除油，然后進行噴砂處理，最終獲得粗糙度為50～75μm的表面；

(2)梯度涂層的制備

鎳基合金粉nicrbsi作為準備耐磨帶涂層的主要材料，按照下面復合梯度涂層中各層中nicrbsi與ti粉的比例準備各層的混合粉末，將各層的混合粉末分別放入研磨機中混合60min，噴涂前粉末要在105℃烘干1小時；噴涂過程中，通過原位化學反應(yīng)2ti+n2＝2tin制備nicrbsi-tin復合梯度涂層；噴涂時試樣的旋轉(zhuǎn)速度15r/min，利用噴槍對試樣進行預(yù)熱處理3分鐘，以減小在噴涂過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，預(yù)熱溫度為150℃；然后依次進行各層的噴涂：

噴涂第一層純nicrbsi層，厚度為100μm；

第二層95％nicrbsi+5％ti,厚度為80μm；

第三層90％nicrbsi+10％ti厚度為50μm；

第四層85％nicrbsi+15％ti，厚度為60μm；

第五層80％nicrbsi+20％ti，厚度為70μm；

第六層75％nicrbsi+25％ti，厚度為55μm；

第七層70％nicrbsi+30％ti，厚度為65μm?？偤穸葹?80μm

等離子噴涂參數(shù)為：

電壓：70v；電流：500a；送粉速度：0.9g/min；噴涂距離：100mm；氬氣流量：3000l/h；氮氣流量：100l/h；

(3)涂層感應(yīng)重熔后處理

采用手提式電感應(yīng)加熱器對試樣進行感應(yīng)熔處理，感應(yīng)加熱溫度為1100℃。感應(yīng)加熱前，將試樣均勻涂上高溫抗氧化涂料，所述的高溫抗氧化涂料具體為浙江黃巖特涂新材料有限公司生產(chǎn)的202抗氧化涂料(成分為二氧化硅耐火陶瓷抗氧化涂料，以下實施例同)，所涂抗氧化涂料的厚度為0.2～0.3mm，以防止涂層在高溫下氧化分解。，感應(yīng)重熔的工藝參數(shù)為：重熔電流700a，重熔時間70s；

圖1是上述制得的nicrbsi-tin梯度涂層的截面sem照片，可以看出涂層的組織較為致密，結(jié)合較好，孔隙較少，沒有未熔區(qū)域出現(xiàn)。

圖5是上述制得的nicrbsi-tin復合涂層的xrd圖，由圖可知，該涂層主要由feni3、tin、cr1.12ni2.88組成。其中feni3為主相tin和cr1.12ni2.88為增強相彌散分布于涂層中，有效地提高了涂層的硬度和耐磨性。

實施例2

在石油鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin復合涂層耐磨帶的方法，包括以下過程：

(1)基體材料表面預(yù)處理

在室溫下采用無水乙醇對基體材料行除油處理，然后進行噴砂處理，最終獲得粗糙度ra≈5.0μm的表面；

(2)梯度涂層的制備

噴涂時試樣的旋轉(zhuǎn)速度大約15r/min，利用噴槍對試樣進行預(yù)熱處理3分鐘，以減小在噴涂過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，預(yù)熱溫度為120℃。

噴涂第一層純nicrbsi層，厚度為90μm；

第二層95％nicrbsi+5％ti,厚度為90μm；

第三層90％nicrbsi+10％ti厚度為70μm；

第四層85％nicrbsi+15％ti，厚度為75μm；

第五層80％nicrbsi+20％ti，厚度為70μm；

第六層75％nicrbsi+25％ti，厚度為70μm；

第七層70％nicrbsi+30％ti，厚度為60μm?？偤穸葹?25μm

等離子噴涂參數(shù)為：

電壓：90v；電流：400a；送粉速度：0.8g/min；噴涂距離：110mm；氬氣流量：3000l/h；氮氣流量：100l/h；

(3)涂層感應(yīng)重熔后處理

采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備對試樣進行感應(yīng)熔處理，感應(yīng)加熱溫度為1150℃。感應(yīng)加熱前，將試樣均勻涂上高溫抗氧化涂料，以防止涂層在高溫下氧化分解。，感應(yīng)重熔的工藝參數(shù)為：重熔電流800a，重熔時間50s；

圖2和圖4分別為上述所制得的nicrbsi-tin梯度涂層的截面和表面sem照片，可以看出涂層的組織較為致密，結(jié)合較好，沒有未熔區(qū)域出現(xiàn)。

實施例3

在石油鉆桿接頭表面制備nicrbsi-tin復合涂層耐磨帶的方法，包括以下過程：

(1)基體材料表面預(yù)處理

在室溫下采用無水乙醇對基體材料行除油處理，然后進行噴砂處理，最終獲得粗糙度ra≈5.0μm的表面；

(2)梯度涂層的制備

噴涂時試樣的旋轉(zhuǎn)速度大約15r/min，利用噴槍對試樣進行預(yù)熱處理3分鐘，以減小在噴涂過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，預(yù)熱溫度為120℃。

噴涂第一層純nicrbsi層，厚度為80μm；

第二層95％nicrbsi+5％ti,厚度為100μm；

第三層90％nicrbsi+10％ti厚度為80μm；

第四層85％nicrbsi+15％ti，厚度為70μm；

第五層80％nicrbsi+20％ti，厚度為75μm；

第六層75％nicrbsi+25％ti，厚度為80μm；

第七層70％nicrbsi+30％ti，厚度為50μm。總厚度為535μm

等離子噴涂參數(shù)為：

電壓：80v；電流：500a；送粉速度：0.7g/min；噴涂距離：120mm；氬氣流量：3000l/h；氮氣流量：100l/h；

(3)涂層感應(yīng)重熔后處理

采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備對試樣進行感應(yīng)熔處理，感應(yīng)加熱溫度為1200℃。感應(yīng)加熱前，將試樣均勻涂上高溫抗氧化涂料，以防止涂層在高溫下氧化分解。，感應(yīng)重熔的工藝參數(shù)為：重熔電流800a，重熔時間60s；

圖3為上述制得的nicrbsi-tin梯度涂層的表面sem照片，可以看出，涂層是典型的層狀結(jié)構(gòu)，涂層的組織較為致密，結(jié)合較好。

對上述制得nicrbsi-tin復合涂層用顯微硬度儀進行硬度測試。本實驗的施加載荷時間為100g，加載時間為15s，對復合涂層取20點打硬度(10×10×10mm的試樣)，最后得到該復合涂層耐磨帶的平均顯微硬度值。為了對比起見，對美國pt100耐磨帶材料進行了相同的硬度試驗。

耐磨性實驗采用采用環(huán)-塊滑動對磨方式，上摩擦副為帶有nicrbsi-tin復合涂層的實驗塊，下摩擦副為經(jīng)過熱處理獲得的硬度為55～65hrc的gcr15對磨環(huán)，摩擦副的接觸方式為線摩擦，轉(zhuǎn)速為200r/min，摩擦時間為30min，載荷300n。材料的耐磨性能用磨損的失重來衡量，磨損失重值為10個試樣的平均值。為了對比起見，對美國pt100耐磨帶材料進行了相同的摩擦磨損試驗。

表1實施例1-3nicrbsi-tin復合涂層的硬度、磨損失重

由上表可以清楚地看出，等離子噴涂感應(yīng)重熔制備的nicrbsi-tin梯度復合涂層耐磨帶的平均硬度高于1100hv0.1，明顯高于pt100耐磨帶材料；平均磨損失重低于5mg，明顯低于pt100耐磨帶材料，因此該耐磨帶表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨性。

本發(fā)明未盡事宜為公知技術(shù)。