專利名稱：在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備wc硬質合金耐磨層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種石油鉆具的修復再制造方法，特別是涉及一種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質合金耐磨層的方法，屬于激光熔覆技術領域。
背景技術：
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，旋轉鉆具使其棱邊易磨損，特別在硬地層會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，運輸的時間及成本。穩(wěn)定器耐磨層的包覆其手段常用以下四種:一、表面鑲嵌硬質合金柱；二、表面鑲嵌合金及聚晶復合體；三、表面低溫釬焊硬質合金塊；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，堆焊時硬質相分解嚴重，影響了耐磨層使用，在使用中經常出現剝落、耐磨性不夠、壽命低等問題。堆焊時硬質相分解嚴重是難以解決的問題。鑲嵌和釬焊硬質合金工藝由于穩(wěn)定器在工作時產生摩擦力較大，WC硬質合金在高脆性及鑲嵌和釬焊的低結合強度造成了使用中出現剝落現象，使堆焊層耐磨性下降，鉆具使用壽命降低。因此，選擇適當的石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質合金耐磨層的工藝方法，使鉆具穩(wěn)定器表面WC硬質合金耐磨層與基體結合強度高、耐磨性能好、合金涂層的厚度均勻，是當前亟待解決的課題。
激光熔覆技術作為一種先進的再制造技術，近年來得到了迅速推廣和廣泛應用。目前，關于利用激光熔覆工藝制備設備部件耐磨合金涂層的專利很多:例如。公開號為CN1202534的中國發(fā)明專利申請給出的《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，將陶瓷粉末噴向涂層表面，對陶瓷涂層進行二次熔覆處理。公開號為CN1786272的中國發(fā)明專利申請給出的《激光熔覆鎳基納米WC/Co預涂層的制備方法》，該制備方法包括下列步驟:①按每克重的蟲膠與10 20克重的無水乙醇稱量蟲膠和無水乙醇，然后將所述的蟲膠加入無水乙醇中制成粘結劑；②根據需要按每克鎳基納米WC/Co粉末與0.1毫升 0.25毫升的粘結劑的比例，稱量鎳基納米WC/Co粉末和所述的粘結劑并混合，充分攪拌均勻制成預涂膠;③將上述預涂膠均勻地涂在待激光熔覆處理的工件表面，制成預涂層烘干。采用自制的粘結劑制備鎳基納米WC/Co預涂層，然后再采用激光熔覆工藝，制備出了表面較平整，較細密、基本消除了裂紋與孔隙并與基體呈冶金結合的鎳基納米WC/Co復合涂層。
公開號為 CN101338425的中國發(fā)明專利申請給出的《鐵路道岔滑床板表面耐磨抗蝕合金涂層激光熔覆工藝》，包括以下工藝過程:首先滑床板表面預處理，即在室溫下對滑床板表面進行除油除銹，并用酒精清洗干凈；然后是合金粉末的預置，即把待熔覆的鐵基、鎳基或鈷基合金粉末預置于上述處理后的滑床板表面，并用帶有導軌的刮尺來調整預制合金粉末，使之均勻分布在滑床板表面并具有適當的厚度，以滿足熔覆后涂層厚度的要求；最后是光熔覆強化滑床板，選用氣體CO2激光器，工作臺為數控機床，在滑床板表面進行激光熔覆強化。現有技術給出的上述技術方案雖能利用激光熔覆工藝對部分設備部件進行耐磨涂層處理，并通過配制適當的熔覆材料克服了激光熔層存在的裂紋、氣孔和微觀結構不均勻性的問題，取得一定的技術效果。但對其他特定的設備部件，例如像石油鉆具穩(wěn)定器這樣的特殊結構，現有的激光熔覆工藝已明顯不能適應。經本申請人檢索查證: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，國內尚無先例，國外也沒有見到相關報道。因此，尋找出適當的采用激光熔覆完成石油鉆具穩(wěn)定器表面耐磨合金涂層的工藝方法，仍需所屬領域的技術人員利用公知的激光熔覆技術，針對特定的石油鉆具穩(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)明內容
本發(fā)明的目的就在于解決現有技術存在的上述問題，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硬質合金耐磨層的方法。該方法可制備與基體形成冶金結合的WC硬質合金涂層，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)明給出的技術方案是:這種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質合金耐磨層的方法，其特點是包括以下過程。1、殼體表面預處理。 在室溫下采用無水乙醇對加工部位進行除油處理。2、合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節(jié)。選用韌性好強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，其化學成份中主要含有Fe、C、S1、Cr、N1、Mo、Nb ;其化學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重量百分數彡60%, N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分數彡40%，其化學成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為Ni。調節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到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，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數如下。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X寬=10X1謹。熔覆掃描速度V=300 500m/min。搭接率40 60%。5、熔覆后探傷檢驗。要求加工部位無肉眼可見裂紋、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，采用自動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10.6微米，可實現窄帶掃描以及寬帶矩形掃描進行熔覆。本發(fā)明選用與17-4PH結合性好的鎳基自熔合金粉末作為打底層。這是因為這種鎳基自熔合金粉末具有優(yōu)良的韌性，高的強度；這樣可以抑制激光熔覆過程中由于基材與熔覆材料熱物性之間的差異導致產生的組織應力。另外在使用過程中可抑制裂紋向基體擴展，延長殼體使用壽命。選取采用球形WC作為硬質抗磨相，采用韌性好強度高的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WC中的鈷對WC具有很好的潤濕能力，因而使得涂層中的粘結相和硬質相能夠更好的結合，進而提高了涂層的耐磨性、抗彎強度和沖擊韌性。極大提高了殼體使用周期。本發(fā)明通過用韌性好強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，合理設計并優(yōu)化工藝參數，進行激光快速熔覆，與基材形成牢固的冶金結合，實現和基體材料良好的韌性過渡；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)良抗熱耐磨復合涂層。與現有技術相比，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合強度，且能在使用中抑制裂紋向基體擴展。
具體實施例方式實施例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合涂層工藝，包括以下過程。1.前期機加。將需進行激光熔覆部位由0190mm機加至0182mm。2.表面預處理。在室溫下采用無水乙醇對加工部位進行除油處理。3.合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節(jié)。選用韌性好強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，調節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的單層厚度達到0.8mm。4.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數如下。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重量百分數60%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分數40%，其化學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。要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。實施例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合涂層工藝，包括以下過程。1.前期機加。將需進行激光熔覆部位由0190mm機加至0184mm。2.表面預處理。在室溫下采用無水乙醇對加工部位進行除油處理。3.合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節(jié)。選用韌性好強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，調節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.2mm。4.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數如下。

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重量百分數65%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分數35%，其化學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X寬=10Xlmm。熔覆掃描速度V=500m/min。搭接率50%。6.熔覆后探傷檢驗。要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。實施例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合涂層工藝，包括以下過程。1.前期機加。將需進行激光熔覆部位由0190mm機加至0180mm。2.表面預處理。在室溫下采用無水乙醇對加工部位進行除油處理。
3.合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節(jié)。選用韌性好強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，調節(jié)送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到1.0mm04.高功率激光器熔覆打底合金。選用高功率CO2激光器，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數如下。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重量百分數70%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分數30%，其化學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X寬=10Xlmm。熔覆掃描速度V=500m/min。搭接率50%。6.熔覆后探傷檢驗。要求加工部位無肉眼可見裂紋、氣孔等缺陷，表面平整。
權利要求
1.一種在石油鉆具穩(wěn)定器激光熔覆制備WC硬質合金耐磨層的方法，其特征在于包括以下過程: (1)殼體表面預處理 在室溫下采用無水乙醇對加工部位進行除油處理； (2)合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節(jié) 選用韌性好強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重量百分數≥60%, N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末重量百分數≤40%，N1-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末的化學成份按重量百分比為:C:0.32%、Cr:3%、Fe:3%、S1:3.7%，余量為 Ni ； 調節(jié)送粉裝置 ，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節(jié)送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到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，以數控機床為工作臺，用有機玻璃燒斑法選取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套設備熔覆打底合金；具體工藝參數如下: 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)溶覆后探傷檢驗要求加工部位無肉 眼可見裂紋、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硬質合金耐磨層的方法，其特點是利用高功率激光器，通過激光快速掃描在殼體表面熔覆與基體成冶金結合的良好的韌性打底過渡層，并通過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)明通過制備與基體形成冶金結合的WC硬質合金涂層，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕及抗熱裂特性，同時激光熔覆工藝對環(huán)境無污染、無輻射、低噪聲，還具有生產率高、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。
文檔編號C23C24/10GK103194748SQ201210004250
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權日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 申請人:沈陽大陸激光成套設備有限公司