CN104087890B

CN104087890B - 用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法

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Publication number: CN104087890B
Application number: CN201410344130.7A
Authority: CN
Inventors: 吴恒; 王长路; 张立勇; 陈正宇; 张军顺; 黄首峰
Original assignee: ZHENGZHOU RESEARCH INSTITUTE OF ADVANCED EQUIPMENT & INFORMATION INDUSTRY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHENGZHOU RESEARCH INSTITUTE OF ADVANCED EQUIPMENT & INFORMATION INDUSTRY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: CN104087890A

Abstract

本发明涉及一种用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法，属于耐磨耐蚀陶瓷材料及陶瓷涂层领域。该方法以Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂原料，通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出陶瓷喷涂粉料，采用等离子喷涂技术将粉料喷涂到缸套内表面形成陶瓷内衬，同时，为了缓解涂层与基体的热失配，提高涂层的结合强度，在工件表面喷涂Ni‑Al或Ni‑Cr‑Al金属过渡层，喷涂结束后，采用封孔剂对涂层进行封孔处理，提高涂层的致密性，且为涂层的抛磨处理提供润滑作用。该方法制备的泥浆泵缸套耐腐蚀、耐磨损性能优异，使用寿命长，且制备工艺简单，成本低，尤其适合石油、地质钻井机械关键部件强腐蚀、强磨损条件下高性能陶瓷涂层的制备。

Description

用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法，属于耐磨耐蚀陶瓷材料及陶瓷涂层领域，该方法尤其适合石油、地质钻井机械关键部件强腐蚀、强磨损条件下高性能陶瓷涂层的制备。

背景技术

泥浆泵是石油、地质钻机中的配套设备，缸套是泥浆泵的核心配件，用来储存泥浆，承受泥浆压力，使往复式活塞在缸套内做往复运动来完成吸、排泥浆的功能。因其服役工况条件恶劣(泵压17～35MPa，活塞冲次100～120 次/min，摩擦温升70～170℃，pH 值10～12，泥浆含砂量3%～5%)，缸套需要承受介质中酸碱度腐蚀和介质中磨料在高压高速下的机械磨损，当腐蚀、磨损量达0.3-0.5mm时，造成泥浆泄漏，泵压下降，使得缸套报废。缸套作为泥浆泵的易损件，更换非常频繁，这不仅造成严重的人力物力浪费，而且影响钻井进度。因此，解决泥浆本缸套的耐高压、耐磨损、抗腐蚀问题，提高其使用寿命，既有巨大的经济效益，又可提高钻井效率。

现有技术中，为了解决泥浆泵缸套内壁腐蚀、磨损问题，主要的采用的途径有五种：第一，普通碳钢渗碳-淬火处理，这种缸套虽然制备工艺简单，成本较低，但表面硬度较低（HRC55左右），耐磨损、抗腐蚀性能差都比较差，其使用寿命只有200-300小时；第二，在碳素钢内部整体浇注高铬铸铁内套，或内外套以锥度配合形成双金属缸套，内衬高铬合金铸铁具较好的耐磨、耐腐蚀，硬度在HRC60 以上，与单金属缸套相比，其寿命达到300-500小时，但仍满足不了现代钻井的需要，同时，这种缸套的制备工艺程序多而繁杂；第三，在45^#钢缸套内表面电镀铬或铁-镍-钨合金，镀层耐腐蚀较好，且表面精度较高，基本不需要二次抛磨处理，但该方法镀层厚度有限，耐磨性能一般，且结合强度不高，在使用过程中容易脱落，其使用寿命有限；第四，在缸套内部镶嵌钨钴、钨铬合金,这种缸套的性能指标基本满足要求，使用寿命较长；第五，在碳素钢内部直接镶装耐磨陶瓷内套，因为陶瓷硬度高，耐磨耐腐蚀性能优异，缸套寿命超过1000小时以上；但第四和第五这两类缸套整体价格较高，且存在内孔加工困难，很难达到规定尺寸，在装配过程中，容易出现配合过紧，内衬破碎问题；另外，采用镶装工艺的缸套，在使用过程中容易出现抽桶。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法。

本发明的总体思路是：以Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂原料，通过离心喷雾造粒，等离子弧球化制备出陶瓷喷涂粉料，而后，采用等离子喷涂技术将粉料喷涂到缸套内表面形成陶瓷内衬，同时，为了提高缓解涂层与基体直接的热失配，在喷涂陶瓷粉料之前，在工件表面喷涂Ni-Al或Ni-Cr-Al过渡层，喷涂结束后，采用封孔剂对涂层进行封孔处理，提高涂层的致密性，且为涂层的抛磨处理提供润滑作用。

本发明的具体技术措施如下：

本发明的用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法包括下述步骤：

a、按重量百分比称取原料，其中： Al₂O₃ 70-85%、ZrO₂ 10-20%、TiO₂ 5-10%，放入球磨罐内进行球磨混合；

b、将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，之后按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂制成浆料；其中：料：水=1：1.2-1.5，料：粘结剂=100：0.5-1，料：分散剂=100：0.3-0.6，料：消泡剂=100：0.2-0.5；

c、将浆料导入离心喷雾干燥造粒机制备成团聚粉料；

d、利用等离子喷涂设备的焰流，对团聚粉料进行球化处理；

e、将球化处理后的粉末进行分散、漂洗、沉降、筛分得到喷涂粉末；

f、对工件喷涂表面进行清洗和喷砂粗化处理；

g、采用等离子喷涂设备在工件表面喷涂打底层；

h、采用等离子喷涂设备在工件表面喷涂陶瓷面层；

i、对陶瓷涂层进行封孔处理、表面打磨，即得到泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的。

更具体说：

本发明所述步骤a中放入球磨罐内进行球磨混合的时间为3-5小时。

所述Al₂O₃为α-Al₂O₃含量大于90%的Al₂O₃粉料，所述ZrO₂为含有5-8%Y₂O₃的ZrO₂粉料，所述TiO₂为金红石型TiO₂含量大于90%的TiO₂粉料。

所述粘结剂取自聚乙烯醇、甲基纤维素、羧基纤维素或乙基纤维素中的任意一种；所述分散剂取自钠盐或铵盐的任意一种；所述消泡剂取自高碳醇、磷酸三丁酯或烷氧型中的任意一种。

所述步骤c中的离心喷雾造粒工艺参数：出风温度为120-150℃，进风温度为220-280℃，离心喷雾盘旋转速度为4500-6000转/分钟。

所述步骤d中的粉料等离子球化处理工艺参数：电流为600-750A，电压为70-90A，主气Ar流量为80-100L/min,辅气H₂流量为20-30L/min，送粉量为80-120g/min。

步骤e中取粒径为-150/+325目的陶瓷喷涂粉料作喷涂粉料。

所述步骤f在喷涂之前，利用有机溶剂清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉或石英砂对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.3-0.5MPa。

所述步骤h的ZrO₂增韧的Al₂O₃-TiO₂陶瓷面层喷涂工艺参数：电流为500-650A，电压为70-85A，主气（Ar）流量为60-80L/min，辅气流量为15-25L/min，送粉量为30-45g/min，喷涂距离为80-120cm。

所述步骤g的打底层厚度为50-100μm，陶瓷面层厚度为250-400μm。

所述步骤i中对陶瓷涂层进行封孔处理的陶瓷封孔剂取自乙烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂或石蜡中的任意一种。

本发明的有益效果如下：

由于本发明采用等离子喷涂技术制备的陶瓷涂层内衬不仅具有陶瓷缸套的高硬度、高耐磨、耐腐蚀性能，其使用寿命与陶瓷缸套相当，而且该缸套一次成型，不需要二次装配，避免了内外套装配过程中出现的一系列不良问题，同时，涂层表面粗糙度小，只需要简单抛磨就可以使用，同时，喷涂材料便宜，制备工艺简单，整体性价比高。

附图说明

图1为本发明提供的陶瓷涂层内衬泥浆泵缸套的结构示意图。

图中序号：1-缸套基体，2-陶瓷内衬。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例作进一步描述：

a、按重量百分比称取原料，其中： Al₂O₃ 70-85%、ZrO₂ 10-20%、TiO₂ 5-10%，放入球磨罐内进行球磨混合3-5小时；所述Al₂O₃为α-Al₂O₃含量大于90%的Al₂O₃粉料，所述ZrO₂为含有5-8%Y₂O₃的ZrO₂粉料，所述TiO₂为金红石型TiO₂含量大于90%的TiO₂粉料；

b、将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，之后按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂搅拌1-3小时制成浆料；其中：料：水=1：1.2-1.5，料：粘结剂=100：0.5-1，料：分散剂=100：0.3-0.6，料：消泡剂=100：0.2-0.5；所述粘结剂取自聚乙烯醇、甲基纤维素、羧基纤维素或乙基纤维素中的任意一种；所述分散剂取自钠盐或铵盐的任意一种；所述消泡剂取自高碳醇、磷酸三丁酯或烷氧型中的任意一种；

c、将浆料导入离心喷雾干燥造粒机制备成团聚粉料；其中工艺参数如下：出风温度为120-150℃，进风温度为220-280℃，离心喷雾盘旋转速度为4500-6000转/分钟；

d、利用等离子喷涂设备的焰流，对团聚粉料进行球化处理；其中粉料等离子球化处理工艺参数如下：电流为600-750A，电压为70-90A，主气Ar流量为80-100L/min,辅气H₂流量为20-30L/min，送粉量为80-120g/min；

e、将球化处理后的粉末进行分散、漂洗、沉降、筛分，取粒径为-150/+325目的陶瓷喷涂粉料作喷涂粉料；

f、对工件喷涂表面进行清洗和喷砂粗化处理；喷涂之前，利用丙酮或其他有机溶剂清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉或石英砂对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.3-0.5MPa；

g、利用等离子喷涂设备在工件表面喷涂厚度为50-100μm的Ni-Al或Ni-Cr-Al打底层，以缓解陶瓷涂层与基体的热失配，喷涂工参数：电流为450-550A，电压为60-75A，主气（Ar）流量为65-80L/min，辅气流量为10-15L/min，送粉量为25-35g/min，喷涂距离为80-120cm；

h、采用等离子喷涂设备在工件表面喷涂陶瓷面层；所述步骤g的打底层厚度为50-100μm，陶瓷面层厚度为250-400μm；

i、对陶瓷涂层进行封孔处理、表面打磨，即得到泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的；所述对陶瓷涂层进行封孔处理的陶瓷封孔剂取自乙烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂或石蜡中的任意一种；本发明优先选用的封孔剂是微晶石蜡，处理温度是60-90℃，采用微晶石蜡封孔，不仅封填了涂层的孔隙，同时，为抛磨处理提供了润滑作用。

本发明的具体实施例如下：

实施例1

a)按重量百分比称取70%的Al₂O₃粉料， 20%的含有8%Y₂O₃的ZrO₂粉料，10%的TiO₂粉料，放入球磨罐内进行球磨混合3小时；

b)将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂搅拌1小时制成浆料；其中：料：水=1：1.2，料：粘结剂=100：0. 5，料：分散剂=100：0. 3；料：消泡剂=100：0.2；所述的水为蒸馏水或去离子水；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述分散剂为十二烷基本磺酸钠；所述消泡剂为磷酸三丁酯；

c)利用蠕动泵将浆料导入离心喷雾干燥造粒内，按工艺参数：出风温度为120℃，进风温度为220℃，离心喷雾盘旋转速度为4500转/分钟，制备成团聚粉料；

d)利用等离子喷涂设备的焰流，按工艺参数：电流为600A，电压为70A，主气（Ar）流量为80L/min,辅气(H2)流量为20L/min，送粉量为80g/min，对团聚粉料进行球化处理；

e)将球化处理后的粉末进行分散、漂洗、沉降、筛分，取粒径为-150/+325目的陶瓷喷涂粉料作喷涂粉料；

f)喷涂之前，利用丙酮清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.3MPa；

g)利用等离子喷涂设备在工件表面喷涂厚度为50μm的Ni-Al层，以缓解陶瓷涂层与基体的热失配，喷涂工参数：电流为450A，电压为60A，主气（Ar）流量为65L/min，辅气流量为10L/min，送粉量为25g/min，喷涂距离为80cm；

h)利用等离子喷涂设备在打底层表面喷涂厚度为250μm的陶瓷涂层，以提高缸套的耐磨、耐腐蚀性能，喷涂工艺参数：电流为500A，电压为70A，主气（Ar）流量为60L/min，辅气流量为15L/min，送粉量为30g/min，喷涂距离为80cm；

i)对涂层后的工件，用微晶石蜡进行封孔处理，处理温度是60℃，而后进行抛磨处理。

此工艺条件下制备的陶瓷涂层内衬缸套，在钻井泥浆泵上测试，其使用寿命达到1500小时。

实施例2

a)按重量百分比，称取75%的Al₂O₃粉料， 20%的含有5%Y₂O₃的ZrO₂粉料，5%的TiO₂粉料，放入球磨罐内进行球磨混合4小时；

b)将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂搅拌1小时制成浆料；其中：料：水=1：1.3，料：粘结剂=100：0.6，料：分散剂=100：0.4；料：消泡剂=100：0.3；所述的水为蒸馏水或去离子水；所述粘结剂为甲基纤维素；所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵盐；所述消泡为剂磷酸三丁酯；

c)利用蠕动泵将浆料导入离心喷雾干燥造粒内，按工艺参数：出风温度为130℃，进风温度为240℃，离心喷雾盘旋转速度为5000转/分钟，制备成团聚粉料；

d)利用等离子喷涂设备的焰流，按工艺参数：电流为700A，电压为80A，主气（Ar）流量为90L/min,辅气(H₂)流量为25L/min，送粉量为90g/min，对团聚粉料进行球化处理；

f)喷涂之前，利用丙酮清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.4MPa；

g)利用等离子喷涂设备在工件表面喷涂厚度为70μm的Ni-Al打底层，以缓解陶瓷涂层与基体的热失配，喷涂工参数：电流为500A，电压为65A，主气（Ar）流量为70L/min，辅气流量为14L/min，送粉量为30g/min，喷涂距离为90cm；

h)利用等离子喷涂设备在打底层表面喷涂厚度为300μm的陶瓷涂层，以提高缸套的耐磨、耐腐蚀性能，喷涂工艺参数：电流为550A，电压为75A，主气（Ar）流量为70L/min，辅气流量为20L/min，送粉量为35g/min，喷涂距离为90cm；

i)对涂层后的工件，用微晶石蜡进行封孔处理，处理温度是70℃，而后进行抛磨处理。

此工艺条件下制备的陶瓷涂层内衬缸套，在钻井泥浆泵上测试，其使用寿命达到1600小时。

实施例3

a)按重量百分比，称取80%的Al₂O₃粉料，10%的含有7%Y₂O₃的ZrO₂粉料， 10%的TiO₂粉料，放入球磨罐内进行球磨混合5小时；

b)将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂搅拌2小时制成浆料；其中：料：水=1：1.4，料：粘结剂=100：0.7，料：分散剂=100：0.5；料：消泡剂=100：0.4；所述的水为蒸馏水或去离子水；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵盐；所述消泡剂为磷酸三丁酯；

c)利用蠕动泵将浆料导入离心喷雾干燥造粒内，按工艺参数：出风温度为140℃，进风温度为260℃，离心喷雾盘旋转速度为5500转/分钟，制备成团聚粉料；

d)利用等离子喷涂设备的焰流，按工艺参数：电流为750A，电压为90A，主气（Ar）流量为100L/min,辅气(H₂)流量为30L/min，送粉量为120g/min，对团聚粉料进行球化处理；

f)喷涂之前，利用丙酮或其他有机溶剂清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉或石英砂对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.5MPa；

g)利用等离子喷涂设备在工件表面喷涂厚度为100μm的Ni-Al打底层，以缓解陶瓷涂层与基体的热失配，喷涂工参数：电流为550A，电压为75A，主气（Ar）流量为80L/min，辅气流量为15L/min，送粉量为35g/min，喷涂距离为100cm；

h)利用等离子喷涂设备在打底层表面喷涂厚度为400μm的陶瓷涂层，以提高缸套的耐磨、耐腐蚀性能，喷涂工艺参数：电流为650A，电压为85A，主气（Ar）流量为80L/min，辅气流量为25L/min，送粉量为45g/min，喷涂距离为100cm；

i)对涂层后的工件，用微晶石蜡进行封孔处理，处理温度是80℃，而后进行抛磨处理。

此工艺条件下制备的陶瓷涂层内衬缸套，在钻井泥浆泵上测试，其使用寿命达到1800小时。

实施例4

a)按重量百分比，称取80%的Al₂O₃粉料，15%的含有8%Y₂O₃的ZrO₂粉料，5%的TiO₂粉料，放入球磨罐内进行球磨混合3-5小时；

b)将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂搅拌2小时制成浆料；其中：料：水=1：1.5，料：粘结剂=100：1，料：分散剂=100：0.6；料：消泡剂=100：0.5；所述的水为蒸馏水或去离子水；所述粘结剂为聚乙烯醇；所述分散剂为聚甲基丙烯酸铵盐；所述消泡剂为磷酸三丁酯；

c)利用蠕动泵将浆料导入离心喷雾干燥造粒内，按工艺参数：出风温度为150℃，进风温度为280℃，离心喷雾盘旋转速度为6000转/分钟，制备成团聚粉料；

d)利用等离子喷涂设备的焰流，按工艺参数：电流为700A，电压为85A，主气（Ar）流量为95L/min,辅气(H₂)流量为28L/min，送粉量为120g/min，对团聚粉料进行球化处理；

g)利用等离子喷涂设备在工件表面喷涂厚度为90μm的Ni-Al，以缓解陶瓷涂层与基体的热失配，喷涂工参数：电流为480A，电压为70A，主气（Ar）流量为75L/min，辅气流量为14L/min，送粉量为30g/min，喷涂距离为120cm；

h)利用等离子喷涂设备在打底层表面喷涂厚度为350μm的陶瓷涂层，以提高缸套的耐磨、耐腐蚀性能，喷涂工艺参数：电流为600A，电压为80A，主气（Ar）流量为75L/min，辅气流量为20L/min，送粉量为40g/min，喷涂距离为120cm；

i)对涂层后的工件，用微晶石蜡进行封孔处理，处理温度是90℃，而后进行抛磨处理。

此工艺条件下制备的陶瓷涂层内衬缸套，在钻井泥浆泵上测试，其使用寿命达到2000小时。

Claims

1.一种用于制备泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬的方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：

a、按重量百分比称取原料，其中： Al₂O₃ 70-85%、ZrO₂ 10-20%、TiO₂ 5-10%，放入球磨罐内进行球磨混合；所述的Al₂O₃为α-Al₂O₃含量大于90%的Al₂O₃粉料，所述的ZrO₂为含有5-8%Y₂O₃的ZrO₂粉料，所述的TiO₂为金红石型TiO₂含量大于90%的TiO₂粉料；

b、将球磨混合后的粉料倒入搅拌桶，之后按重量份数比加入水、粘结剂、分散剂、消泡剂制成浆料；其中：料：水=1：1.2-1.5，料：粘结剂=100：0.5-1，料：分散剂=100：0.3-0.6，料：消泡剂=100：0.2-0.5；所述粘结剂取自聚乙烯醇、甲基纤维素、羧基纤维素或乙基纤维素中的任意一种；所述分散剂取自钠盐或铵盐的任意一种；所述消泡剂取自高碳醇、磷酸三丁酯中的任意一种；

c、将浆料导入离心喷雾干燥造粒机制备成团聚粉料；其工艺参数：出风温度为120-150℃，进风温度为220-280℃，离心喷雾盘旋转速度为4500-6000转/分钟；

d、利用等离子喷涂设备的焰流，对团聚粉料进行球化处理；其工艺参数：电流为600-750A，电压为70-90V，主气Ar流量为80-100L/min,辅气H₂流量为20-30L/min，送粉量为80-120g/min；

e、将球化处理后的粉末进行分散、漂洗、沉降、筛分得到喷涂粉末；所述喷涂粉末的粒径为-150/+325目；

f、对工件喷涂表面进行清洗和喷砂粗化处理；即先利用有机溶剂清洗工件表面去除油污，而后用棕刚玉或石英砂对工件表面进行喷砂处理，增加表面粗糙度，喷砂空气压力为0.3-0.5MPa；

g、采用等离子喷涂设备在工件表面喷涂打底层；所述打底层的厚度为50-100μm；

h、采用等离子喷涂设备在工件表面喷涂陶瓷面层；其工艺参数：电流为500-650A，电压为70-85V，主气Ar流量为60-80L/min，辅气流量为15-25L/min，送粉量为30-45g/min，喷涂距离为80-120cm；所述陶瓷面层的厚度为250-400μm；

i、对陶瓷面层进行封孔处理、表面打磨，即得到泥浆泵缸套陶瓷涂层内衬；其中封孔处理时所用的陶瓷封孔剂取自乙烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂或石蜡中的任意一种。