一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层及其制备方法与流程

本发明属于石油钻具修复
技术领域：
，涉及石油钻具耐磨性及磨损再制造相关技术改进，尤其是一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层及其制备方法。
背景技术：
：在石油钻井工程中，石油钻具的工作环境十分恶劣，长期使用后会由于耐磨套的耐磨性能的降低而导致钻杆及接头磨损失效，严重时会造成很大的经济损失。石油钻具的耐磨套会在磨损失效时被新的耐磨套替换，这些旧的耐磨套会回炉再造，造成了资源的浪费和再制造成本的提高。所以，耐磨套的耐磨性研究以及磨损修复再制造具有深厚的研究价值和广阔的应用前景。为了解决上述问题，各厂家开发了很多表面处理技术，比如较常见的激光熔覆技术，其是一种先进的表面改性技术，其可以在基材表面制备耐磨损、耐腐蚀等涂层，利用喷粉装置将合金粉末喷覆在工件表面，同时利用激光照射实现合金粉末熔覆在工件表面，熔覆的合金在工件表面形成一层涂层，由此修复了工件表面的缺陷。目前，对于石油钻具表面激光熔覆技术的研究还非常少，急需一种能够有效提高耐磨性以及其他性能的激光熔覆技术。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供新配方的合金粉末，并通过激光熔覆工艺对石油钻具表面进行处理，使石油钻具表面具有良好耐磨性的一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层及其制备方法。本发明采取的技术方案是：一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层，其特征在于：所述复合涂层包括熔覆底层和熔覆表层，熔覆表层熔覆在熔覆底层表面；所述熔覆底层和熔覆表层的原料均包括镍基合金粉末、碳化钨粉末和石墨烯粉末，所述石墨烯粉末的质量占混合物总质量的1-4％。再有，所述熔覆底层中的镍基合金粉末的质量占原料总质量的66％，所述碳化钨粉末的质量占原料总质量的30-33％。再有，所述熔覆表层中的镍基合金粉末的质量占原料总质量的46％，所述碳化钨粉末的质量占原料总质量的50-53％。再有，所述镍基合金粉末的粒度为55-187微米；镍基合金粉末中各元素质量分数：c:0.7-1.1％,b:3.0-4.0％,si:3.5-5.0％,cr:17.0-20.0％,cu:0-0.5％,fe:0-5％,mo:2.0-3.0％,稀土:2.0-3.0％,余量为ni。再有，所述碳化钨粉末的粒度为55-150um；碳化钨粉末中各元素质量分数：总w:95-96％，总c:3.7-4.2％，游离c:0-0.08％,o:0-0.05％,fe:0-0.4％,cr:0-0.05％,v:0-0.05％，其他杂质：0-0.4％。再有，石墨烯粉末的纯度≥98％，片层直径10-50um，厚度0.335-1nm，层数1-2，比表面积100-300m2/g。再有，石墨烯粉末的纯度≥98％，片层直径10-50um，厚度0.335-1nm，层数1-2，比表面积100-300m2/g。本发明的另一个目的是提供一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层，包括以下步骤：⑴对基体表面进行处理，然后进行预热；⑵将石墨烯分散在乙醇中，然后加入镍基合金粉末和碳化钨粉末，混合均匀后干燥得到熔覆底层的原料；将石墨烯分散在乙醇中，然后加入镍基合金粉末和碳化钨粉末，混合均匀后干燥得到熔覆表层的原料；⑶将所述熔覆底层的原料喷粉至基体表面，在气体保护的条件下进行激光熔覆，完成后形成熔覆底层；⑷步骤⑶完成后将基体移动到初始位置，将所述熔覆表层的原料喷粉至所属熔覆底层的表面，在气体保护的条件下进行第二次激光熔覆，完成后形成熔覆表层。再有，步骤⑶所述的激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径3-6mm，搭接量为0.9-1.8mm，激光功率1400-2700w，扫描速度200-800mm/min。再有，步骤⑶所述的激光熔覆的的送粉方式为激光同轴送粉，送粉速率为20-50g/min，控制方式为通过载气流量控制送粉速率。本发明的优点和积极效果是：1.本复合涂层中，石墨烯自身具有超高的硬度和超低的摩擦系数，其片层厚度在纳米量级，片层直径在微米量级，可降低外部载荷对材料的剪切作用，同时其内部片层的单独滑动可以对磨屑的产生进行干预，使涂层具有较高的表面硬度以及优良的耐磨性能。2.本复合涂层中，石墨烯的加入能够降低涂层结晶度，使涂层得到细小均匀的组织结构，均匀细化的组织可以提高涂层的硬度和耐磨性；并且石墨烯的加入使强化相均匀分布，裂纹扩展需绕过强化相，可起到阻碍裂纹扩展的作用，使涂层有更高的抗冲击韧性。3.本复合涂层中，镍基合金粉末、碳化钨粉末和石墨烯粉末的混合使用使涂层的综合力学性能良好、耐磨性能优异，在提供一定的耐磨性能的基础之上，也对涂层耐腐蚀、耐疲劳和耐冲击等性能进行了保障。4.本复合涂层中，激光熔覆工艺采用高纯氩气进行气体保护，涂层与基体表面为冶金结合；由于激光熔覆快热快冷的特点，使基体和涂层之间的混溶区很窄，熔覆层稀释率较低，并且涂层晶粒细小，相较于热喷涂、等离子堆焊等工艺，热影响更小，缺陷更少。5.本复合涂层采用双层结构，通过降低激光功率，使碳化钨分布更均匀，表面硬度更高，并降低了裂纹开裂倾向，这是因为单层熔覆要满足涂层厚度要求，激光功率势必会比双层熔覆激光功率大，随着激光功率增大，熔覆层中碳化钨烧损越严重，碳化钨沉降现象越明显，碳化钨颗粒大部分聚集在熔池底部，表面碳化钨含量降低，影响表面耐磨性能，且非常容易形成裂纹及疲劳破坏，并且熔覆材料中碳化钨含量越大，稀释率也随之变大，熔覆层表层碳化钨含量达不到设计要求，硬度和耐磨性达不到使用要求。6.本发明采用的双配方熔覆材料，使熔覆涂层内层镍基合金含量高，保证熔覆层有足够的韧性，提高涂层抗冲击性能，使熔覆涂层表层碳化钨含量高，保证熔覆层有足够的硬度，提高涂层的耐磨性能，镍基合金、碳化钨、石墨烯的混合使用复合涂层，不仅可以改善组织，使强化相分布更均匀，还可以起到自润滑作用。附图说明图1是本发明中的石油钻具耐磨套的结构示意图；图2是熔覆表层和熔覆底层之间错位熔覆的结构示意图；图3是熔覆底层熔覆后的试样截面组织高倍图；图4是熔覆表层熔覆在熔覆底层表面后的试样截面组织高倍图；图5(a)是实施例1试样碳化钨颗粒高倍图；图5(b)是实施例1试样碳化钨颗粒硬度压痕图；图6是实施例1试样金属相硬度压痕图。具体实施方式下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。一种用于石油钻具耐磨套的复合涂层，本发明的创新在于：如图1所示，复合涂层包括熔覆底层和熔覆表层，熔覆表层熔覆在熔覆底层表面；熔覆底层和熔覆表层的原料均包括镍基合金粉末、碳化钨粉末和石墨烯粉末，所述石墨烯粉末的质量占混合物总质量的1-4％。其中，熔覆底层中的镍基合金粉末的质量占原料总质量的66％，碳化钨粉末的质量占原料总质量的30-33％。熔覆表层中的镍基合金粉末的质量占原料总质量的46％，碳化钨粉末的质量占原料总质量的50-53％。上述镍基合金粉末的粒度为55-187微米；镍基合金粉末中各元素质量分数：c:0.7-1.1％,b:3.0-4.0％,si:3.5-5.0％,cr:17.0-20.0％,cu:0-0.5％,fe:0-5％,mo:2.0-3.0％,稀土:2.0-3.0％,余量为ni。上述碳化钨粉末的粒度为55-150um；碳化钨粉末中各元素质量分数：总w:95-96％，总c:3.7-4.2％，游离c:0-0.08％,o:0-0.05％,fe:0-0.4％,cr:0-0.05％,v:0-0.05％，其他杂质：0-0.4％。上述石墨烯粉末的纯度≥98％，片层直径10-50um，厚度0.335-1nm，层数1-2，比表面积100-300m2/g。石墨烯粉末的纯度≥98％，片层直径10-50um，厚度0.335-1nm，层数1-2，比表面积100-300m2/g。上述用于石油钻具耐磨套的复合涂层的制备方法包括以下步骤：⑴将基体材料用砂纸打磨，用丙酮清洗掉表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度230-280℃；⑵用分析天平按质量百分比称取一定量石墨烯，加入无水乙醇，在cf-600y超声处理器中分散处理3小时，功率为2千瓦，在石墨烯分散液中按比例加入镍基合金粉末和碳化钨粉末，最后将混合粉末放入球磨机球磨10小时，使粉末混合均匀；然后置于真空干燥箱中烘干，干燥温度为150℃，干燥3-5h后备用；按照步骤⑵的过程分别配制好熔覆底层的原料和熔覆表层的原料；⑶将熔覆底层的原料装入自动送粉装置并按照预设的送粉速率将粉末送至石油钻具耐磨套的表面，同时采用99.99％高纯氩气进行气体保护、采用光纤激光器将石油钻具耐磨套的表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得均匀致密的熔覆底层；⑷步骤⑶完成后将基体移动到初始位置，将熔覆表层的原料装入自动送粉装置并按照预设的送粉速率将粉末送至熔覆底层的表面，同时采用99.99％高纯氩气进行气体保护、采用光纤激光器将熔覆底层表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得均匀致密的熔覆表层。上述加工过程中，步骤⑶的激光熔覆的工艺参数如下：光斑直径3-6mm，搭接量为0.9-1.8mm，激光功率1400-2700w，扫描速度200-800mm/min。步骤⑶的激光熔覆的的送粉方式为激光同轴送粉，送粉速率为20-50g/min，控制方式为通过载气流量控制送粉速率。在两次激光熔覆工艺中，激光熔覆方向为沿耐磨套圆周方向，且匀速进给，保证工件熔覆过程受热均匀避免产生裂纹和变形。熔覆表层和熔覆底层之间采用错位熔覆法，即从首层熔覆层搭接处上方进行熔覆。实施例1：(1)涂层配方成分及配比a.熔覆底层：按照质量百分比为，镍基合金粉末66％、碳化钨粉末31％、石墨烯粉末3％；b.熔覆表层：按照质量百分比为，镍基合金粉末46％、碳化钨粉末51％、石墨烯粉末3％。混合均匀后置于真空干燥箱内，150℃干燥3h后备用。(2)基体材料预处理用砂纸对耐磨套基材表面进行打磨，用丙酮去除表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度250℃。(3)激光熔覆制备涂层将混合均匀且干燥的a配方复合粉末装入自动送粉装置，在高纯氩气保护下，采用同轴送粉工艺将粉末送至耐磨套表面，采用光纤激光器将耐磨套表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得复合涂层。在a配方熔覆层上采用相同的激光熔覆参数熔覆b配方的复合粉末，熔覆类型为错位熔覆法，得到最终石油钻具耐磨套表面耐磨复合涂层。激光熔覆工艺参数如下：光斑直径5mm，搭接量1.5mm，激光功率2700w，扫描速度400mm/min，送粉速率为45g/min。(4)涂层硬度及耐磨性检测采用hr-150dt洛氏硬度计测试熔覆层表面宏观硬度；采用hxd-1000tmc/lcd显微硬度计分别测量熔覆层碳化钨硬质颗粒及起粘结相即金属基体相的显微硬度。熔覆层表面宏观硬度为hrc70，碳化钨颗粒显微硬度为2200hv,粘结相显微硬度为880hv。依照astmg65-2016标准，采用干砂橡胶轮磨粒磨损试验，测试了熔覆层的磨粒磨损性能，试样尺寸为76.2x25.4x5mm，橡胶轮转速为100r/min，摩擦压力为130n，磨料粒度为50-60目，磨料添加速率为320g/min，测试总时间为30min。涂层磨损量为0.4mm3/min。实施例2：(1)涂层配方成分及配比a.熔覆底层：按照质量百分比为，镍基合金粉末66％、碳化钨粉末32％、石墨烯粉末2％；b.熔覆表层：按照质量百分比为，镍基合金粉末46％、碳化钨粉末52％、石墨烯粉末2％。混合均匀后置于真空干燥箱内，150℃干燥3h后备用。(2)基体材料预处理用砂纸对耐磨套基材表面进行打磨，用丙酮去除表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度240℃。(3)激光熔覆制备涂层将混合均匀且干燥的a配方复合粉末装入自动送粉装置，在高纯氩气保护下，采用同轴送粉工艺将粉末送至耐磨套表面，采用光纤激光器将耐磨套表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得复合涂层。在a配方熔覆层上采用相同的激光熔覆参数熔覆b配方的复合粉末，熔覆类型为错位熔覆法，得到最终石油钻具耐磨套表面耐磨复合涂层。激光熔覆工艺参数如下：光斑直径3mm，搭接量0.9mm，激光功率1400w，扫描速度800mm/min，送粉速率为25g/min。(4)涂层硬度及耐磨性检测采用hr-150dt洛氏硬度计测试熔覆层表面宏观硬度；采用hxd-1000tmc/lcd显微硬度计分别测量熔覆层碳化钨硬质颗粒及起粘结相即金属基体相的显微硬度。熔覆层表面宏观硬度为hrc65，碳化钨颗粒显微硬度为2200hv,粘结相显微硬度为740hv。依照astmg65-2016标准，采用干砂橡胶轮磨粒磨损试验，测试了熔覆层的磨粒磨损性能，试样尺寸为76.2x25.4x5mm，橡胶轮转速为100r/min，摩擦压力为130n，磨料粒度为50-60目，磨料添加速率为320g/min，测试总时间为30min。涂层磨损量为0.65mm3/min。实施例3：(1)涂层配方成分及配比a.熔覆底层：按照质量百分比为，镍基合金粉末66％、碳化钨粉末33％、石墨烯粉末1％；b.熔覆表层：按照质量百分比为，镍基合金粉末46％、碳化钨粉末53％、石墨烯粉末1％。混合均匀后置于真空干燥箱内，150℃干燥3h后备用。(2)基体材料预处理用砂纸对耐磨套基材表面进行打磨，用丙酮去除表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度280℃。(3)激光熔覆制备涂层将混合均匀且干燥的a配方复合粉末装入自动送粉装置，在高纯氩气保护下，采用同轴送粉工艺将粉末送至耐磨套表面，采用光纤激光器将耐磨套表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得复合涂层。在a配方熔覆层上采用相同的激光熔覆参数熔覆b配方的复合粉末，熔覆类型为错位熔覆法，得到最终石油钻具耐磨套表面耐磨复合涂层。激光熔覆工艺参数如下：光斑直径6mm，搭接量1.8mm，激光功率2200w，扫描速度800mm/min，送粉速率为35g/min。(4)涂层硬度及耐磨性检测采用hr-150dt洛氏硬度计测试熔覆层表面宏观硬度；采用hxd-1000tmc/lcd显微硬度计分别测量熔覆层碳化钨硬质颗粒及起粘结相即金属基体相的显微硬度。熔覆层表面宏观硬度为hrc63，碳化钨颗粒显微硬度为2200hv,粘结相显微硬度为690hv。依照astmg65-2016标准，采用干砂橡胶轮磨粒磨损试验，测试了熔覆层的磨粒磨损性能，试样尺寸为76.2x25.4x5mm，橡胶轮转速为100r/min，摩擦压力为130n，磨料粒度为50-60目，磨料添加速率为320g/min，测试总时间为30min。涂层磨损量为0.52mm3/min。实施例4：(1)涂层配方成分及配比a.熔覆底层：按照质量百分比为，镍基合金粉末66％、碳化钨粉末30％、石墨烯粉末4％；b.熔覆表层：按照质量百分比为，镍基合金粉末46％、碳化钨粉末50％、石墨烯粉末4％。混合均匀后置于真空干燥箱内，150℃干燥3h后备用。(2)基体材料预处理用砂纸对耐磨套基材表面进行打磨，用丙酮去除表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度230℃。(3)激光熔覆制备涂层将混合均匀且干燥的a配方复合粉末装入自动送粉装置，在高纯氩气保护下，采用同轴送粉工艺将粉末送至耐磨套表面，采用光纤激光器将耐磨套表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得复合涂层。在a配方熔覆层上采用相同的激光熔覆参数熔覆b配方的复合粉末，熔覆类型为错位熔覆法，得到最终石油钻具耐磨套表面耐磨复合涂层。激光熔覆工艺参数如下：光斑直径4mm，搭接量1.2mm，激光功率2000w，扫描速度800mm/min，送粉速率为30g/min。(4)涂层硬度及耐磨性检测采用hr-150dt洛氏硬度计测试熔覆层表面宏观硬度；采用hxd-1000tmc/lcd显微硬度计分别测量熔覆层碳化钨硬质颗粒及起粘结相即金属基体相的显微硬度。熔覆层表面宏观硬度为hrc68，碳化钨颗粒显微硬度为2200hv,粘结相显微硬度为800hv。依照astmg65-2016标准，采用干砂橡胶轮磨粒磨损试验，测试了熔覆层的磨粒磨损性能，试样尺寸为76.2x25.4x5mm，橡胶轮转速为100r/min，摩擦压力为130n，磨料粒度为50-60目，磨料添加速率为320g/min，测试总时间为30min。涂层磨损量为0.45mm3/min。比较例：(1)涂层配方成分及配比按照质量百分比为，镍基合金粉末49％、碳化钨粉末51％。混合均匀后置于真空干燥箱内，150℃干燥3h后备用。(2)基体材料预处理用砂纸对耐磨套基材表面进行打磨，用丙酮去除表面油污，烘干后对基体材料进行预热，预热温度250℃。(3)激光熔覆制备涂层将混合均匀且干燥的复合粉末装入自动送粉装置，在高纯氩气保护下，采用同轴送粉工艺将粉末送至耐磨套表面，采用光纤激光器将耐磨套表面的粉末熔化形成熔池，冷却凝固后获得复合涂层。激光熔覆工艺参数如下：光斑直径5mm，搭接量1.5mm，激光功率4000w，扫描速度400mm/min，送粉速率为80g/min。(4)涂层硬度及耐磨性检测采用hr-150dt洛氏硬度计测试熔覆层表面宏观硬度；采用hxd-1000tmc/lcd显微硬度计分别测量熔覆层碳化钨硬质颗粒及起粘结相即金属基体相的显微硬度。熔覆层表面宏观硬度为hrc60，碳化钨颗粒显微硬度为2200hv,粘结相显微硬度为660hv。依照astmg65-2016标准，采用干砂橡胶轮磨粒磨损试验，测试了熔覆层的磨粒磨损性能，试样尺寸为76.2x25.4x5mm，橡胶轮转速为100r/min，摩擦压力为130n，磨料粒度为50-60目，磨料添加速率为320g/min，测试总时间为30min。涂层磨损量为1.84mm3/min。实施例熔覆层宏观硬度熔覆层金属相显微硬度熔覆层磨损量(mm3/min)基材hrc55--3.5实施例1hrc70880hv0.4实施例2hrc65740hv0.65实施例3hrc63690hv0.52实施例4hrc68800hv0.45比较例hrc60660hv1.84表1:实施例与比较例硬度对比数据通过表1中的实施例和比较例的对比可以看出，本发明的镍基碳化钨石墨烯复合涂层因含有石墨烯成分，明显提高了熔覆层金属相的硬度，在磨损过程提高对碳化钨硬质颗粒的咬合力，使碳化钨颗粒不容易脱落，进而提高涂层的耐磨性。比较例中由于单层熔覆激光功率较高，碳化钨出现烧损，碳化钨沉底效应加剧，导致碳化钨在熔池底部多，表层含量少，硬度和耐磨性降低，碳化钨分布不均匀容易产生疲劳破坏。当前第1页12