非磁性堆焊材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料。該非磁性堆焊材料包括多個(gè)非磁性的燒結(jié)碳化物球粒和非磁性基質(zhì)合金，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒分散在所述非磁性基質(zhì)合金中。
【專利說(shuō)明】非磁性堆焊材料
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)發(fā)明要求于2011年I月28日提交的、美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61/437，124的在先申請(qǐng)日的權(quán)益，這里通過(guò)引用將該申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]包括井生產(chǎn)和完井在內(nèi)的井下操作，特別是對(duì)于油井和天然氣井，利用必須保持高耐磨性和斷裂韌性且同時(shí)還滿足其它設(shè)計(jì)要求的各種鉆柱部件。
[0004]向井下操作期間承受磨損的表面施加耐磨堆焊材料是此類井下工具和部件的設(shè)計(jì)和制造中的長(zhǎng)期做法。過(guò)去，這些堆焊組合物通常包含處在鐵、鈷或鎳及其合金和混合物中的IVB、VB和VIB族元素的多種碳化物。通常利用多種方法，通過(guò)熔化堆焊材料的基質(zhì)以及實(shí)施堆焊的表面的一部分來(lái)施加堆焊材料。各種碳化物顆粒向堆焊材料賦予硬度和耐磨性，而基質(zhì)金屬賦予堆焊材料斷裂韌性。堆焊材料通常必須在耐磨性(耐磨性通常與其硬度相關(guān))和斷裂韌性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?br> [0005]很多因素影響著特殊用途的堆焊組合物的適用性。這些因素通常包括:組合物中所利用的碳化物的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)、基質(zhì)金屬或合金的化學(xué)組成和顯微組織、以及碳化物材料彼此之間和碳化物材料與基質(zhì)金屬或合金之間的相對(duì)比例。然而，隨著井下操作和相關(guān)設(shè)備的復(fù)雜性增加，其它因素也對(duì)特定用途的堆焊組合物的適用性具有影響。一種這樣的因素是堆焊材料的磁性能，例如磁導(dǎo)率。堆焊材料通常不會(huì)被設(shè)計(jì)為控制磁導(dǎo)率，而是通常具有高的磁導(dǎo)率。然而，增加的井下設(shè)備復(fù)雜性以及對(duì)于外部磁場(chǎng)或由該設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)的變化的敏感性(與用于保護(hù)其的堆焊材料相關(guān))，使得非常希望找到具有受控制的磁性能(特別是降低的磁導(dǎo)率)的堆焊材料，以避免干擾設(shè)備區(qū)域中的磁性測(cè)量。
[0006]因此，希望提供具有高的耐磨性和斷裂韌性以及降低的磁導(dǎo)率的井下工具和部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在示例性實(shí)施方案中，公開(kāi)了一種非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料。該非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料包括多個(gè)非磁性的燒結(jié)碳化物球粒(pellet)。該堆焊材料還括非磁性基質(zhì)合金，其中非磁性的燒結(jié)碳化物球粒分散在非磁性基質(zhì)合金中。
[0008]附圖簡(jiǎn)述
[0009]現(xiàn)在參照附圖，其中在若干附圖中將同樣的元件用相同的附圖標(biāo)記表示:
[0010]圖1為非磁性、研磨性、耐磨的材料的示例性實(shí)施方案的示意性橫截面圖解，該材料包含非磁性的燒結(jié)碳化物球粒，所述燒結(jié)碳化物球粒基本上均勻地分散在本文所公開(kāi)的基質(zhì)合金中；
[0011]圖2為非磁性、研磨性、耐磨的材料的示例性實(shí)施方案的示意性橫截面圖解，該材料包含非磁性的燒結(jié)碳化物顆粒，并且非磁性的鑄造碳化物顆?；旧暇鶆虻胤稚⒃诒疚乃_(kāi)的基質(zhì)合金中；[0012]圖3為非磁性、研磨性、耐磨的材料的示例性實(shí)施方案的示意性橫截面圖解，該材料包含基本上均勻分散在本文所述基質(zhì)合金中的非磁性的基本上球形的燒結(jié)碳化物球粒、非磁性的基本上球形的鑄造碳化物球粒、非磁性的破碎燒結(jié)碳化物顆粒以及非磁性的破碎鑄造碳化物顆粒；
[0013]圖4為如本文所公開(kāi)的非磁性的基本上球形燒結(jié)碳化物球粒的示例性實(shí)施方案的光學(xué)顯微圖；
[0014]圖5為非磁性的基本上球形燒結(jié)碳化物球粒的顯微組織的掃描電子顯微圖，其示出了存在的相；
[0015]圖6為非磁性、研磨性、耐磨的材料的示例性實(shí)施方案的顯微組織的光學(xué)顯微圖，該材料包含基本上均勻地分散在如本文所述的基質(zhì)合金中的非磁性的燒結(jié)碳化物球粒以及鑄造碳化物顆粒；
[0016]圖7A是施加于鉆柱部件表面的如本文所公開(kāi)的非磁性堆焊材料實(shí)施方案的示意性圖解，顯示了非磁性的鉆柱部件以及所述非磁性堆焊材料的非磁性燒結(jié)碳化物球粒和基質(zhì)合金的界面；
[0017]圖7B是施加到位于鉆柱部件表面上的中間材料的如本文所公開(kāi)的非磁性堆焊材料實(shí)施方案的示意性圖解，顯示了所述中間材料以及所述非磁性堆焊材料的非磁性燒結(jié)碳化物球粒和基質(zhì)合金的界面；
[0018]圖8是本文所公開(kāi)的示例性鉆柱實(shí)施方案以及多種鉆柱部件的示例性實(shí)施方案；
[0019]圖9A-G是本文所公開(kāi)的鉆柱組件的示例性實(shí)施方案以及多種鉆柱部件的示例性實(shí)施方案的示意圖解；
[0020]圖10是如本文所公開(kāi)的具有布置在其上的非磁性堆焊材料的非磁性鉆柱部件的制造方法的示例性實(shí)施方案；以及
[0021]圖11是多種堆焊材料的耐磨性坐標(biāo)圖，包括本文所公開(kāi)的非磁性堆焊材料的實(shí)
施方案。
[0022]發(fā)明詳述
[0023]本文參考圖1-11以示例且非限定的方式來(lái)呈現(xiàn)所公開(kāi)的材料、設(shè)備和方法的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料54特別適合于各種鉆柱部件201，特別是包含井底鉆具組合200 (BHA)的那些部件，且更特別地是包含各種隨鉆測(cè)量(MWD)裝置202或者隨鉆測(cè)井(LWD)裝置204的那些部件，或者與這些裝置相關(guān)聯(lián)的鉆柱部分，包括各種鉆鋌、穩(wěn)定器套筒、殼體以及在軸向或者徑向(或者即在軸向又在徑向)與這些裝置鄰近定位的鉆柱其它部分。該非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料可施加于這些裝置的任何適宜部分上，特別是這些裝置的外表面上，且更特別地適于施加在與地層持續(xù)接觸或者斷續(xù)接觸的外表面上。該非磁性堆焊材料適合應(yīng)用于需要非磁性或者至少降低或受控的磁特性的鉆柱部件201。例如，該非磁性堆焊材料可以與這些鉆柱部件201 —起使用，以便為在BHA200(作為設(shè)計(jì)要求該BHA200必須容納在非磁性材料中)中利用的儀器和傳感器提供相容性，或者用以優(yōu)化它們的性能。
[0025]如本文中所使用的，在一個(gè)實(shí)施方案中，非磁性堆焊材料54可被定義為具有與BHA中的儀器和傳感器(包括MWD和LWD裝置)一起使用相兼容的磁導(dǎo)率的堆焊材料。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性堆焊材料54可被定義為滿足美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)或其它材料標(biāo)準(zhǔn)組織針對(duì)旋轉(zhuǎn)鉆桿元件的非磁性特征的規(guī)范(如API Spec7-1)的材料。在又一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性堆焊材料54可被定義為下述的堆焊材料:其具有小于或等于1.0lO的相對(duì)磁導(dǎo)率，并且可具有不超過(guò)+/-0.05微特斯拉的距均勻磁場(chǎng)的最大偏差。
[0026]非磁性堆焊材料54包括分散在非磁性基質(zhì)中的多個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物56，例如本文所述的非磁性金屬基質(zhì)合金60。堆焊材料54還可以包括與非磁性燒結(jié)碳化物56聯(lián)合分散在非磁性基質(zhì)中的多個(gè)鑄造碳化物58。非磁性堆焊材料54可用于制造各種非磁性鉆柱部件201，或者可用于在如本文所述的此類部件的表面上或者其局部上提供非磁性堆焊物。
[0027]大體上參照?qǐng)D1，非磁性、研磨性、耐磨的材料54，或者非磁性堆焊材料，包括分散在非磁性基質(zhì)合金60中的多個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物56。可以使用任何適宜的非磁性燒結(jié)碳化物56，包括各種非磁性的燒結(jié)金屬碳化物56。適宜的非磁性燒結(jié)金屬碳化物56可包括各種碳化物，包括碳化硼以及IVB、VB和VIB族元素的碳化物，包括碳化鉻、碳化鑰、碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦、碳化鶴或碳化f凡，或者它們的組合，并且包括它們的合金及混合物，如本文所述?？墒褂萌魏芜m宜的非磁性基質(zhì)合金60,包括各種非磁性的金屬基質(zhì)合金60。適宜的非磁性金屬基質(zhì)合金60包括本文所述的非磁性Ni合金。
[0028]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性燒結(jié)金屬碳化物56基本上均勻地分散在非磁性基質(zhì)合金60中，如圖1所示；然而，其它類型的分散也是可能的，包括并非基本上均勻的分散。非磁性的燒結(jié)碳化物56可具有任何適宜的形狀，且在一個(gè)示例性實(shí)施方案中可具有基本上球形的形狀,并且包含基本上球形的非磁性燒結(jié)碳化物球粒57。基本上球形的非磁性燒結(jié)碳化物球粒57也可以包括光滑的不規(guī)則形狀，以至于它們并非真正的球形，但是基本上沒(méi)有明顯的角、尖銳邊緣、棱角突出物、粗糙(asperities)以及在破碎和其它非球形碳化物顆粒中常見(jiàn)的其它特征。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性燒結(jié)碳化物56可具有破碎的形狀(或如本文所述的破碎態(tài)(as-crushed)形狀)，其可以包括明顯的角、尖銳邊緣、棱角突起物、粗糙以及在通過(guò)破碎如本文所述的前體材料(例如燒結(jié)球粒)而形成的顆粒中常見(jiàn)的特征,且可以包含破碎的、非磁性的燒結(jié)碳化物顆粒59或如圖3中所示的微粒(granule)。在又一示例性實(shí)施方案中，非磁性的燒結(jié)碳化物56可包括下述的混合物:基本上球形的非磁性燒結(jié)碳化物球粒57和破碎的非磁性燒結(jié)碳化物顆粒59。
[0029]大體上參照?qǐng)D2和3，非磁性、研磨性、耐磨的材料54或者非磁性堆焊材料還可以包括多個(gè)非磁性鑄造碳化物58,與所述多個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物56穿插(intersperse)并且分散在圖2所示的非磁性基質(zhì)合金60中，以進(jìn)一步改善非磁性、研磨性、耐磨的材料54的耐磨性和斷裂韌性。可以使用任何適宜的非磁性鑄造碳化物58，包括各種非磁性的鑄造金屬碳化物58。適宜的非磁性鑄造金屬碳化物顆?？砂ǜ鞣N碳化物，包括碳化硼以及IVB、VB和VIB族元素的碳化物,包括碳化鉻、碳化鑰、碳化銀、碳化鉭、碳化鈦、碳化鶴、碳化娃或碳化釩、或者它們的組合，并且包括它們的合金及混合物。適宜的非磁性鑄造金屬碳化物的實(shí)例為包含WC和W2C的共晶體的碳化鎢。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性的、基本上球形的鑄造金屬碳化物61基本上均勻地分散在非磁性基質(zhì)合金60中，如圖2所示。該非磁性鑄造碳化物58可具有任何適宜的顆粒形狀，且在一個(gè)示例性實(shí)施方案中可具有基本上球形的形狀并且包括基本上球形的非磁性鑄造碳化物球粒61。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性的鑄造碳化物球粒61可具有光滑或圓滑的不規(guī)則形狀，但是基本上沒(méi)有明顯的角、尖銳邊緣、棱角突起物、粗糙以及在破碎和其它非球形碳化物顆粒中常見(jiàn)的其它特征。這種光滑類似于在顆粒邊緣和任何尖銳突起物上提供半徑。這些表面粗糙或者不規(guī)則可使得顆粒具有殘余應(yīng)力和表面能量，并且，例如可在施加堆焊材料期間融化或者擴(kuò)散到基質(zhì)中，由此使其性能劣化。在一個(gè)實(shí)施方案中，光滑的不規(guī)則形狀包括光滑的截?cái)嗳庵∑?。在又一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性的鑄造碳化物58可具有破碎形狀(或者如本文所述的破碎態(tài)形狀)，其可包括明顯的角、尖銳邊緣、棱角突起物、粗糙以及在通過(guò)將如本文所述的前體材料(例如，球粒)破碎而形成的顆粒中常見(jiàn)的其它特征，并且可包括破碎的、非磁性、鑄造碳化物顆粒63或如圖3中所示的微粒。圖6的光學(xué)顯微圖示出了非磁性、研磨性、耐磨的材料54的顯微組織，該材料在非磁性基質(zhì)合金60中包括多個(gè)非磁性的鑄造碳化物58，基本上均勻地穿插有多個(gè)非磁性的燒結(jié)碳化物56。
[0030]非磁性的燒結(jié)碳化物56包含金屬基質(zhì)-碳化物復(fù)合材料，該材料有時(shí)候也被籠統(tǒng)稱為硬質(zhì)合金(cemented carbide)。圖4的光學(xué)顯微圖示出了如本文所述的多個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物56，包括基本上球形的非磁性燒結(jié)碳化物球粒57。如圖5所示，每個(gè)非磁性的燒結(jié)碳化物球粒56包括:非磁性的碳化物相100 (較淺相)，通常包括多個(gè)非磁性的金屬碳化物顆粒112，和非磁性粘合劑相120(較暗相)，其通常是較軟、連續(xù)、非磁性、金屬性的相，該相為硬質(zhì)碳化物相100提供粘合劑122。碳化物相100可包括任何適宜的非磁性碳化物，包括IVB、VB和VIB族元素的各種非磁性金屬碳化物顆粒112，且更特別地包括碳化鉻、碳化鑰、碳化鈮、碳化鉭、碳化鈦、碳化鎢、或碳化釩，或者它們的組合，以及包括它們的合金及混合物。更加特別地，在示例性實(shí)施方案中，非磁性碳化物相100可包括金屬碳化物顆粒112，其包含碳化鎢顆粒，且更特別地包括WC顆粒(圖5)。非磁性的碳化物相100可具有任何適宜的非磁性金屬碳化物顆粒112的顆粒形狀，且可包括如下范圍的形狀:從基本上球形的形狀，到光滑不規(guī)則形狀，再到破碎顆粒形狀，或者它們的組合。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性的金屬碳化物顆粒112可具有基本上球形的形狀。在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，非磁性的金屬碳化物顆粒112可具有光滑的不規(guī)則形狀，以至于它們不是真正的球形，但是基本上沒(méi)有明顯的角、尖銳邊緣、棱角突起物、粗糙以及在破碎和其它非球形碳化物顆粒中常見(jiàn)的其它特征。非磁性的碳化物相100可具有非磁性的金屬碳化物顆粒112，其具有任何適宜的顆粒尺寸，并且在一個(gè)示例性實(shí)施方案中可具有約10微米以下、且更特別為約2微米以下的平均顆粒尺寸(利用標(biāo)準(zhǔn)ASTM篩網(wǎng)尺寸測(cè)量)。應(yīng)該注意到的是，該非磁性的碳化物顆粒相可包括碳化物的混合物和合金，該碳化物的混合物和合金具有相對(duì)較高和較低的磁化率或磁導(dǎo)率，只要當(dāng)被施加到鉆柱部件例如鉆柱部件201上時(shí)，所述碳化物的合金或混合物提供產(chǎn)生非磁性、研磨性、耐磨的材料54的非磁性燒結(jié)碳化物球粒56 (圖8)。金屬碳化物相100 (包括非磁性的金屬碳化物顆粒112)可以包括約90重量％到約100重量％的非磁性燒結(jié)碳化物56 ;且更特別地，約92重量％到約97重量％ ;且更加特別地，約93.5重量％到約94.5重量％。
[0031]非磁性粘合劑相120可以是任何適宜的非磁性粘合劑122，且可包括各種非磁性金屬，更特別地可包括各種非磁性鎳合金。圖5示出了包含鎳合金粘合劑的示例性非磁性粘合劑122。非磁性鎳粘合劑合金可包括Cr、Mo、Fe或V，或它們的組合作為合金化成分。粘合劑122可包含鎳合金，該鎳合金包括例如至多約1.5重量％的&，其降低粘合劑以及其中納入該粘合劑的非磁性燒結(jié)碳化物56的磁導(dǎo)率。Cr也是碳化物清除劑，和晶粒細(xì)化劑，其在用于形成非磁性燒結(jié)碳化物56的燒結(jié)工藝期間減少金屬碳化物相100 (例如WC晶粒)中晶粒生長(zhǎng)的傾向。Cr還促進(jìn)燒結(jié)工藝并且還用作強(qiáng)化成分以改善粘合劑的機(jī)械性能。在示例性實(shí)施方案中，鎳合金粘合劑可包含約0.01重量％到約1.5重量％的Cr ;以及更特別地,可包含約0.2重量％到約1.0重量％的Cr ;甚至更為特別地,可包含約0.4重量％至約0.8重量％的Cr。粘合劑122可包括約O到10重量％的非磁性燒結(jié)碳化物球粒56 ;且更特別地，約3重量％到約8重量％ ;甚至更為特別地，約5.5重量％到約6.5重量％。非磁性粘合劑相120的選擇可考慮到制造非磁性燒結(jié)碳化物56過(guò)程中關(guān)于碳化物相100的擴(kuò)散作用，從而保持球體的非磁性特性，例如通過(guò)避免燒結(jié)工藝期間由球粒成分和粘合劑之間的相互擴(kuò)散而形成相對(duì)較高導(dǎo)磁率的相。非磁性粘合劑相120的選擇還可以考慮非磁性、研磨性、耐磨的材料54沉積期間非磁性基質(zhì)合金60的成分的擴(kuò)散作用，從而保持材料的非磁性特性，以及也考慮非磁性堆焊材料沉積于其上的工具或部件的成分的擴(kuò)散作用，從而保持堆焊施加于其上的工具或部件的部位的非磁性特性。
[0032]非磁性的燒結(jié)碳化物56包括非磁性金屬碳化物顆粒112的晶體或顆粒，其與通常為粘合劑材料的顆粒形式(未示出)的非磁性粘合劑122材料燒結(jié)在一起，從而形成本文所記載的具有碳化物相100的球粒構(gòu)造，包括金屬碳化物顆粒112，以及非磁性粘合劑相120，包括粘合劑122。非磁性的燒結(jié)碳化物56可通過(guò)任何適宜方法形成，包括通過(guò)將碳化物相100粉末顆粒與粘合劑相120粉末顆粒的粉末混合物壓實(shí)來(lái)形成前體的球粒顆粒，其中未燒結(jié)的前體球粒顆?？苫旧鲜乔驙畹模哂胁糠侄嗫椎膬?nèi)部結(jié)構(gòu)以及比期望球粒更大的平均前體顆粒尺寸；加熱所述前體球粒顆粒，例如通過(guò)將它們送入爐中；通過(guò)將前體球粒顆粒加熱到金屬粘合劑的材料呈糊態(tài)(部分液本且部分固體)的溫度來(lái)燒結(jié)所述前體球粒顆粒，并且施加氣體壓力以減少部分多孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔含量，從而將平均顆粒尺寸減小到球粒56的預(yù)定最終產(chǎn)品顆粒尺寸，例如本文所述的預(yù)定平均顆粒尺寸，并且提供基本上沒(méi)有孔隙結(jié)構(gòu)的球粒。也可以對(duì)所得到的球粒進(jìn)行球磨以便磨去任何尖銳的邊緣和拐角，并且消除具有小截面的易裂顆粒，其能夠容易地與基質(zhì)材料一起成為溶體，并且形成本文所述的基本上球形的非磁性燒結(jié)碳化物56。
[0033]一種制造非磁性的鑄造金屬碳化物顆粒(例如碳化鎢)的方法，該方法包括將碳化鎢加熱到熔點(diǎn)以上約150-300°C，然后熔化并在靜態(tài)惰性氣體中使用旋轉(zhuǎn)冷卻臺(tái)將碳化鎢粒化。該方法提供了基本上球形形狀的鑄造金屬碳化物顆粒。這些鑄造球柱通常不是真正的球形，然而是足夠?qū)ΨQ的，以至于球粒中的殘余應(yīng)力被最小化。此外，這些球粒的大體為球形的形狀消除了拐角、尖銳邊緣、和棱角突起物，這些角、尖銳邊緣、和棱角突起物存在于在傳統(tǒng)的破碎顆粒中并且會(huì)增加顆粒中的殘余應(yīng)力，以及當(dāng)在表面上施加堆焊材料時(shí)它們傾向于熔化。
[0034]拐角、尖銳邊緣、以及棱角突起物可產(chǎn)生殘余應(yīng)力，所述殘余應(yīng)力可在將非磁性、研磨性、耐磨的材料54施加到如本文所述的鉆柱部件201期間，引起殘余應(yīng)力附近的顆粒區(qū)域中的金屬碳化物材料(如碳化鎢)在較低溫度下熔化。在施加期間金屬碳化物材料的熔化或部分熔化可促進(jìn)碳化物顆粒和周圍基質(zhì)合金之間的原子擴(kuò)散。如上文所述，非磁性基質(zhì)合金60與非磁性的燒結(jié)碳化鎢56以及鑄造碳化鎢58之間的原子擴(kuò)散可使得圍繞鑄造金屬碳化物58的區(qū)域中的非磁性基質(zhì)合金60變脆，并減少其外部區(qū)域中顆粒的硬度。這樣的原子擴(kuò)散可以使得所述非磁性、研磨性、耐磨的材料54的整體物理性能劣化。使用燒結(jié)碳化鎢56及鑄造碳化鎢58代替?zhèn)鹘y(tǒng)的包括拐角、尖銳邊緣以及棱角突起物的碳化鎢顆粒，可以減少這樣的原子擴(kuò)散，從而在將所述非磁性、研磨性、耐磨的材料54施加到鉆頭或者其它工具的表面上期間，維持非磁性基質(zhì)合金60、非磁性燒結(jié)碳化鎢56以及非磁性鑄造碳化鎢58的物理性能。
[0035]非磁性、研磨性、耐磨的材料54可包括非磁性燒結(jié)碳化物56和非磁性基質(zhì)合金60，以及按任何適宜的相對(duì)量使用的非磁性鑄造碳化物58。此外，非磁性燒結(jié)碳化物56可包括任何適宜相對(duì)量的基本上球形的燒結(jié)碳化物球粒57或破碎的燒結(jié)碳化物顆粒59，或其組合。另外，當(dāng)使用之時(shí)，非磁性鑄造碳化物58可類似地包括任何適宜相對(duì)量的基本上球形的鑄造碳化物球粒61或破碎的燒結(jié)碳化物顆粒59，或其組合。表1中提供了可以用來(lái)形成非磁性、研磨性、耐磨的材料54的非磁性燒結(jié)碳化物56和非磁性基質(zhì)合金60以及非磁性鑄造碳化物58的若干示例性組合。表1中所述成分的組合及相對(duì)量不應(yīng)被解釋為限定本文所述的非磁性、研磨性、耐磨的材料54，而是如何將本文記載的成分材料結(jié)合的示例。在示例性實(shí)施方案中，非磁性、研磨性、耐磨的材料54包括:含Ni的非磁性基質(zhì)合金60 ;多個(gè)非磁性燒結(jié)金屬碳化物56，其包含燒結(jié)碳化鎢球粒，每個(gè)球粒由處在Ni合金粘合劑中的多個(gè)WC顆粒形成；以及多個(gè)包含鑄造碳化鎢的多個(gè)非磁性、鑄造金屬碳化物58，如圖3所示。非磁性基質(zhì)合金60可占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約20重量％到約60重量％。更特別地，非磁性基質(zhì)合金60可占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約30重量％到約50重量％。甚至更特別地，非磁性基質(zhì)合金60可占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約35重量％到約45重量％。所述多個(gè)燒結(jié)碳化鎢和鑄造磁化物以及其它碳化物可占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約40重量％到約80重量％。此外，所述多個(gè)燒結(jié)碳化鎢56可以占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約40重量％到約80重量％，以及所述多個(gè)鑄造碳化鎢58可以占非磁性、研磨性、耐磨的材料54的約O重量％到約60重量％。在非限定性實(shí)例中，非磁性、研磨性、耐磨的材料54可包含(按重量計(jì))約30%的基質(zhì)合金60、約50%的燒結(jié)碳化鎢56和約20%的鑄造碳化鎢58。
[0036]非磁性的燒結(jié)碳化鎢56的尺寸可以大于非磁性的鑄造碳化鎢58。此外，每單位體積的非磁性、研磨性、耐磨的材料54中的鑄造碳化鎢顆粒56的數(shù)量可高于每單位休積的非磁性、研磨性、耐磨的材料54中的燒結(jié)碳化鎢58的數(shù)量。
[0037]非磁性的燒結(jié)碳化物56可例如包括-16ASTM篩目的球粒，并具有小于約1180微米的平均直徑。非磁性的燒結(jié)碳化鎢56的平均直徑可以是所述非磁性的鑄造碳化鎢58的平均直徑的約1.1至約5倍。非磁性的鑄造碳化鎢58例如可以包括-1OOASTi^f目的球粒，并具有小于約150微米的平均直徑。
[0038]表1
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種非磁性、研磨性、耐磨的堆焊材料，包含: 多個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物球粒；和 非磁性基質(zhì)合金，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒分散在該非磁性基質(zhì)合金中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，還包含分散在所述非磁性基質(zhì)合金中的多個(gè)非磁性鑄造碳化物顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性鑄造碳化物顆粒包含基本上球形的顆粒形狀、光滑的不規(guī)則顆粒形狀或破碎的不規(guī)則顆粒形狀，或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物和非磁性鑄造碳化物占所述堆焊材料的約40重量％到約80重量％。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒的平均球粒尺寸是所述非磁性鑄造碳化物顆粒的平均顆粒尺寸的約1.1到約5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中每個(gè)非磁性燒結(jié)碳化物球粒包含: 非磁性粘合劑；和 分散在非磁性粘合劑中的非磁性金屬碳化物的多個(gè)顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述金屬碳化物包括碳化鉻、碳化鑰、碳化鈮、碳化鉭、碳化 鈦、碳化鎢、碳化硅或碳化釩，或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述金屬碳化物包括WC。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述金屬碳化物占所述球粒的約90重量％到約98重量％。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中金屬碳化物的顆粒具有約10微米或更小的平均尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中金屬碳化物的顆粒包括光滑的不規(guī)則形狀顆粒。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述粘合劑包含非磁性金屬。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述粘合劑包含Ni。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非磁性堆焊材料，其中所述粘合劑包含Ni合金，該Ni合金包括Cr、Mo、Fe或V,或其組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中該堆焊材料具有小于或等于1.01的相對(duì)導(dǎo)磁率。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒包括基本上球形的球粒。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒包括破碎的球粒。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性燒結(jié)碳化物球粒包括基本上球形的球粒和破碎球粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性基質(zhì)合金包括非磁性金屬合金。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性金屬合金包含至少50重量％的鎳以及余量的至少一種合金化成分。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的非磁性堆焊材料，其中所述至少一種合金化成分包括:C、Cr、Mo、Fe、Mn、S1、V、W、Cu、Nb、P、Al、或 B,或它們的組合。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的非磁性堆焊材料，其中所述至少一種合金化成分按重量百分比計(jì)包括:約0.10到約0.74的C、至多約3.50的B、約1.00到4.50的Fe、約2.25到約4.55的S1、至多約14.00的Cr，和余量的Ni。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的非磁性堆焊材料，其中所述至少一種合金化成分按重量百分比計(jì)包括:約0.10到約0.74的C、約1.4到約3.50的B、約1.00到約4.50的Fe、約2.25到約4.55的S1、至多約14.00的Cr、和余量的Ni。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性基質(zhì)合金按合金重量百分比計(jì)包括:約0.01到約0.5的C、約1.0到約4.0的B、約2.0到約5.0的S1、和余量的Ni。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性基質(zhì)合金按合金的重量百分比計(jì)包括:約0.05到約0.3的B、約3.0到約5.5的Al、和余量的Ni。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性基質(zhì)合金按合金的重量百分比計(jì)包括:約20.0到約23.0的Cr、約0.5到約3.0的Fe、約8.0到約10.0的Mo、約3.0到約4.0的Nb、約0.3到約0.7的S1、約0.3到約0.7的Mn、和余量的Ni。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述非磁性基質(zhì)合金按合金的重量百分比計(jì)包括:約14.5到約16.5的Cr、約4.0到約7.0的Fe、約15.0到約17.0的Mo、約3.0到約4.5的W、約0.3到約0.7的S1、約0.5到約1.0的Mn、約0.1到約0.4的V、和余量的Ni。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中，按材料的重量計(jì)，至少約60%的非磁性燒結(jié)碳化物球粒，并且余量包括所述非磁性基質(zhì)合金。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非磁性堆焊材料，其中所述堆焊材料包括沉積在非磁性鉆柱部件外表面上的層。
【文檔編號(hào)】E21B10/46GK103608543SQ201280006802
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2012年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月28日
【發(fā)明者】J·L·歐夫斯特里特, J·W·伊森, T·帕茲 申請(qǐng)人:貝克休斯公司