专利名称：提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法
技术领域：
本发明属冲蚀磨损技术领域，具体涉及一种根据仿生学原理提高液动冲击锤的耐冲蚀磨损性能的方法。
背景技术：
目前，液动冲击锤是石油、天然气及地热钻探等领域提高钻探效率主要工作部件，在油气钻探行业广泛应用。液动冲击锤在泥浆环境下工作时，泥浆中的固体颗粒会对液动冲击锤内部的各密封运动部位产生磨损和卡阻。通过增大密封副螺旋槽的尺寸、适当增加了活塞的配合间隙，可在一定程度上解决阻卡问题，但固体颗粒就会进入到活塞缸套的配合面，使得活塞缸套磨蚀严重，大大降低了液动冲击锤活塞的使用寿命。因此，研究液动冲击锤活塞缸套的耐冲 蚀磨损技术，是提闻液动冲击银使用寿命，提闻钻探效率的关键。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高液动冲击锤关键部件耐冲蚀磨损的仿生学方法，有效提高活塞缸套的耐冲蚀磨损性能。为达到以上发明目的，本发明采用如下技术方案实现提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法包括下列步骤I.将液动冲击锤中易损部件一上活塞I和下缸套2作为实施激光表面合金化处理的对象；2.确定上活塞I和下缸套2待进行激光表面合金化处理的位置和区域具体位置为上活塞I的外表面和下缸套2的内表面,上活塞I的外表面和下缸套2的内表面待进行激光表面合金化处理的区域为合金层区域，合金层区域呈条纹状，且与活塞运动方向一致；上活塞合金层条纹弧长I1与上活塞直径d之比Ι/d和下缸套合金层条纹弧长L1与下缸套直径D之比L1ZD均为O. I O. 3，上活塞母材条纹弧长I2与上活塞合金层条纹弧长I1之比I2Zl1、下缸套母材条纹弧长L2与下缸套合金层弧长L1之比L2Zl1均为O. 5 I ;3.对步骤2确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理，使其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构，具体包括下列步骤3. I制备合金涂敷粉末选用粘结效果好、激光照射后易气化、不影响合金层形成和合金层性能的有机粘合剂，将金属锰粉与有机粘合剂调制成均匀的膏状合金涂敷粉末；3. 2制定合金涂敷粉末添加方式将步骤3. I制备的膏状合金涂敷粉末预涂于步骤2确定的上活塞I和下缸套2待进行激光表面合金化处理的位置和区域；3. 3激光器选择和激光束参数选用IOkW CO2激光器作为激光光源，待膏状合金涂敷粉末预涂层干燥后，用功率为O. I 10kW、光斑直径为I 5mm、激光扫描速率为O. 5 50mm/s的激光束进行处理；3. 4激光器处理过程激光处理过程中用氩气进行侧吹保护。
本发明提出的仿生液动冲击锤耐冲蚀磨损方法，是根据毛蚶耐冲蚀磨损特性，模仿其外壳软硬相间的表面结构，利用激光合金化技术在液动冲击锤活塞及缸套表面制备仿生耐冲蚀表面，即母材条纹b与合金层条纹a呈软硬相间的分布。本发明的有益效果在于I.采用本发明使液动冲击锤中的易磨损件一上活塞和下缸套经激光合金化处理后形成的仿生表面具有软硬相间的特性，其中的硬质合金层能有效地阻止泥沙对壁面造成大面积的冲蚀损坏，母材由于硬度较小会率先磨损形成沟槽，这种沟槽对泥浆颗粒起到导流作用，进一步减小了配合面的磨损，故能使上活塞和下缸套的耐磨性明显提高。2.锰元素易于获得，仿生激光合金化处理简单易行。
图I为液动冲击锤中上活塞的结构示意2为液动冲击锤中下缸套的结构示意I与图2中1.上活塞，2.下缸套，a.合金层条纹，b.母材条纹，I1-上活塞合金层条纹弧长，I2-上活塞母材条纹弧长，d-上活塞直径，L1-下缸套合金层条纹弧长，L2-下缸套母材条纹弧长，D-下缸套直径 图3为母材微观组织金相照片图4为激光加工后合金层微观组织金相照片
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。本实例的一个具体实施方式
为确定上活塞I和下缸套2待进行激光表面合金化处理的位置和区域具体位置为上活塞I的外表面和下缸套2的内表面,上活塞I的外表面和下缸套2的内表面待进行激光表面合金化处理的区域为合金层区域，合金层区域呈条纹状，且与活塞运动方向一致；上活塞合金层条纹弧长I1与上活塞直径d之比Ι/d和下缸套合金层条纹弧长L1与下缸套直径D之比L1ZD均为O. I O. 3，上活塞母材条纹弧长I2与上活塞合金层条纹弧长I1之比I2Zl1和下缸套母材条纹弧长L2与下缸套合金层弧长L1之比L2Zl1均为O. 5 I ;由图3、4对比知，上活塞I和下缸套2经仿生激光表面合金化处理以后，合金层的微观组织较基体明显细化，组织更加均匀，硬度明显提高，故母材与合金层就形成了软硬相间的结构。此结构中的硬质合金层可直接阻止磨损扩散；母材较软部位率先磨损形成沟槽，还易于泥沙排出，减小磨损。经试验，在不同的泥浆环境下，与激光表面合金化处理之前相比，上活塞I和下缸套2寿命提高20 % 50 %。
权利要求
1.一种提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法，其特征在于包括下列步骤 1)将液动冲击锤中易损部件--上活塞(I)和下缸套(2)作为实施激光表面合金化处理的对象； 2)确定上活塞(I)和下缸套(2)待进行激光表面合金化处理的位置和区域具体位置为上活塞(I)的外表面和下缸套(2)的内表面,上活塞(I)的外表面和下缸套(2)的内表面待进行激光表面合金化处理的区域为合金层区域，合金层区域呈条纹状，且与活塞运动方向一致；上活塞合金层条纹弧长I1与上活塞直径d之比I1Al和下缸套合金层条纹弧长L1与下缸套直径D之比L/D均为O. I O. 3，上活塞母材条纹弧长I2与上活塞合金层条纹弧长I1之比I2Zl1和下缸套母材条纹弧长L2与下缸套合金层弧长L1之比L2Zl1均为O. 5 I ; 3)对步骤2)确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理，使 其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构，具体包括下列步骤 .3.I制备合金涂敷粉末选用粘结效果好、激光照射后易气化、不影响合金层形成和合金层性能的有机粘合剂，将金属锰粉与有机粘合剂调制成均匀的膏状合金涂敷粉末； .3.2制定合金涂敷粉末添加方式将步骤3. I制备的膏状合金涂敷粉末预涂于步骤2)确定的上活塞(I)和下缸套(2)待进行激光表面合金化处理的位置和区域； .3.3激光器选择和激光束参数选用IOkW Q2激光器作为激光光源，待膏状合金涂敷粉末预涂层干燥后，用功率为O. I 10kW、光斑直径为I 5mm、激光扫描速率为O. 5 50mm/s的激光束进行处理； .3.4激光器处理过程激光处理过程中用氩气进行侧吹保护。
全文摘要
提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法属冲蚀磨损技术领域，本发明包括确定上活塞外表面和下缸套内表面为激光表面合金化处理的位置和区域；上活塞合金层条纹弧长与上活塞直径之比和下缸套合金层条纹弧长与下缸套直径之比均为0.1～0.3，上活塞母材条纹弧长与上活塞合金层条纹弧长之比、下缸套母材条纹弧长与下缸套合金层弧长之比均为0.5～1；对所确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理，使其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构；采用本发明能使液动冲击锤中的上活塞和下缸套耐磨性明显提高，且锰元素易获得，仿生激光合金化处理简单易行。
文档编号C23C24/10GK102888602SQ20121043383
公开日2013年1月23日 申请日期2012年11月4日 优先权日2012年11月4日
发明者张成春, 韩志武, 张春艳, 董立春, 高科, 王晶 申请人:吉林大学