CN114836748A - 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法 - Google Patents

一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114836748A
CN114836748A CN202210348139.XA CN202210348139A CN114836748A CN 114836748 A CN114836748 A CN 114836748A CN 202210348139 A CN202210348139 A CN 202210348139A CN 114836748 A CN114836748 A CN 114836748A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hard alloy
powder
drill tooth
entropy alloy
tooth
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210348139.XA
Other languages
English (en)
Inventor
荆国业
程守业
王媛
刘志强
宋朝阳
张广宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Original Assignee
Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd filed Critical Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Priority to CN202210348139.XA priority Critical patent/CN114836748A/zh
Publication of CN114836748A publication Critical patent/CN114836748A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/09—Mixtures of metallic powders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/103—Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material containing an organic binding agent comprising a mixture of, or obtained by reaction of, two or more components other than a solvent or a lubricating agent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07—Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/04—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling
    • B22F2009/043—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by ball milling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明公开一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法：将硬质合金基体加工成硬质合金钻齿；将硬质合金钻齿的待熔覆面打磨后，用酒精超声清洗备用；将铬、钴、镍、铁、铌、硅和碳以粉末状单质或合金粉末的形式放入球磨罐中，在室温下球磨，球磨结束后，得到高熵合金涂层粉；将高熵合金涂层粉用粘接剂粘结在硬质合金钻齿的待熔覆面上，并将粘结有高熵合金涂层粉的硬质合金钻齿放入干燥箱中干燥，干燥结束后，得到待熔覆硬质合金钻齿；在氩气保护气氛下，将待熔覆硬质合金钻齿置于加工台上进行激光熔覆，得到熔覆涂层硬质合金钻齿。本发明可以解决滚压破岩钻头在硬岩和极硬岩地层滚压破岩时因钻齿失效导致的使用寿命短的问题。

Description

一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法
技术领域
本发明涉及钻齿制备技术领域。具体地说是一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法。
背景技术
煤矿、水电、冶金等领域广泛应用竖井钻机、竖井掘进机、反井钻机等设备进行滚压机械破岩。中硬岩的滚压破岩刀具为镶齿滚刀，滚刀刀壳外圈所镶的钻齿是破岩的直接作用点，其使用寿命对整个破岩效率影响巨大。
滚刀在施工钻进过程中，滚刀上的钻齿承受着高温、摩擦、腐蚀、氧化、冲刷等极端恶劣的服役工况，从而钻齿导致过早失效，严重降低了滚刀刀具装备的性能，同时也造成了极大的浪费。在钻进过程中，如果因为钻齿磨损失效，更换刀具费时费力，尤其是竖井掘进机、反井钻机，在井下更换刀具存在巨大的安全隐患。随着钻井深度的不断增加，以及在水电、金属矿山等行业需要钻进的火成岩的硬度比较大、石英含量比较高，硬质合金钻齿很难满足钻进过程中一次钻透，通常需要在中间更换一次滚刀，甚至多次。这就增加了钻进施工的难度及施工成本，因此，如何提高滚刀刀壳外圈所镶钻齿的耐磨、耐腐蚀以及耐氧化等性能，延长其使用寿命是提高破岩效率急需解决的重要问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，使制备的硬质合金钻齿具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、耐氧化、耐冲刷等性能，以解决当前滚刀、牙轮等滚压破岩钻头在硬岩和极硬岩地层滚压破岩时因钻齿失效导致的使用寿命短的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将硬质合金基体加工成硬质合金钻齿；
步骤B：将硬质合金钻齿的待熔覆面打磨后，用酒精超声清洗备用；
步骤C：将铬、钴、镍、铁、铌、硅和碳七种元素以粉末状单质或合金粉末的形式放入球磨罐中，并向球磨罐中加入碳化钨WC研磨球，在室温下使用球磨机进行球磨，球磨结束后，得到高熵合金涂层粉；
步骤D：将高熵合金涂层粉用粘接剂粘结在硬质合金钻齿的待熔覆面上，并将粘结有高熵合金涂层粉的硬质合金钻齿放入干燥箱中干燥，干燥结束后，得到待熔覆硬质合金钻齿；
步骤E：在氩气保护气氛下，将待熔覆硬质合金钻齿置于加工台上进行激光熔覆，得到熔覆涂层硬质合金钻齿。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤C中，高熵合金涂层粉中铬元素、钴元素、镍元素、铁元素、铌元素、硅元素和碳元素的物质的量之比为1:1:1:1:(0.4～0.6):(0.1～0.3):(0.05～0.15)。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤C中，高熵合金涂层粉中铬元素、钴元素、镍元素、铁元素、铌元素、硅元素和碳元素的物质的量之比为1:1:1:1:0.5:0.2:0.1。在铬、钴、镍、铁这几种元素等摩尔比的情况下，凭借其不同原子半径及电负性相近，容易形成结构简单的单一的FCC结构，并在加入上述比例的铌元素、硅元素和碳元素时，能够与铬、钴、镍、铁形成耐磨性好、硬度高的涂层，且有利于使得该涂层与碳化钨熔覆面结合的更紧密。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤A中：硬质合金基体为碳化钨板；步骤B中，硬质合金钻齿的待熔覆面打磨目数大于或等于400目且小于或等于800目；对熔覆面进行打磨主要是去除熔覆面的杂质，打磨目数大于或等于400目且小于或等于800目时，更有益于熔覆层与熔覆面之间的结合；步骤C中，铬、钴、镍、铁和铌五种元素均以粉末状金属单质的形式加入，硅元素以FeSi粉的形式加入，碳元素以FeCrC粉的形式加入。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤C中，铬、钴、镍、铁和铌五种元素的粉末状金属单质、FeSi粉和FeCrC粉的粒径均在75～150μm之间，且纯度均大于或等于99.5wt％；FeSi粉由铁、硅、铬和碳四种元素组成，且铁、硅、铬和碳的物质的量之比为1:2～4:0.1～0.5:0.1～0.5；FeCrC粉由铁、铬和碳三种元素组成，且铁、铬和碳三种元素的物质的量之比为1～3:0.2～0.5:1～2。由于高熵合金对各金属的纯度要求较高，因此，成分含量较大的元素尽量选择单质作为原料，而且金属单质的粉末粒径选择多，价格便宜。石墨作为碳的单质其熔点较高，以石磨为原料添加到高熵合金涂层粉中，容易导致激光熔覆时溅射火花从而影响涂层的质量，因此碳元素以FeCrC粉的形式参与形成高熵合金涂层，更有利于制备得到性能较好的涂层。另外，当各原料的粒径在75～150μm之间时，粒径范围偏差不大，便于后续加工，若各原料的粒径偏差较大，需增加研磨时间；各原料的粒径越接近，激光熔覆后的制备得到的高熵合金涂层的组织晶粒越细。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤C中，高熵合金涂层粉与碳化钨WC研磨球的质量之比为4～6:1；球磨机的转速为60～100r/min，球磨时间为2～8h；步骤D：硬质合金钻齿的待熔覆面上粘结的高熵合金涂层粉的厚度为0.8～1.2mm；干燥箱的烘干温度为75～85℃，烘干时间为1.5～2.5h。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤C中，高熵合金涂层粉与碳化钨WC研磨球的质量之比为5:1；球磨机的转速为80r/min，球磨时间为4～8h。球磨可以使各原料的粒径更加细小，粒径更加均匀统一，便于粘接及熔覆后的组织结构均匀；球磨不充分会导致各组分粒径不均匀、粒径相差较大、不统一；球磨时间过长则会导致金属粉末渗入研磨球中。步骤D：硬质合金钻齿的待熔覆面上粘结的高熵合金涂层粉的厚度为1.0mm；干燥箱的烘干温度为80℃，烘干时间为2h；干燥的目的主要是避免粉末吸收空气中的水汽，在熔覆过程中形成气孔；干燥的温度过低导致水汽蒸发缓慢，干燥时间过短则水分蒸发不完全；若干燥温度过高、时间过长则可能会导致粘接剂产生碳化颗粒，影响后续熔覆的质量。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤D中，粘结剂由羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和水组成，且羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇三者的质量之比为2～5:10:15；粘结剂中羧甲基纤维素钠的质量分数为0.05～1.0wt％；聚丙烯酸的相对分子质量在3000-6000；聚乙烯醇的平均分子量为11万～13万。在试验中发现，采用上述组成及浓度的粘结剂能够在熔覆过程中形成硬度大，且与硬质合金钻齿结合度高的高熵合金涂层；若改变粘结剂的组成或浓度，无论如何调整高熵合金涂层粉的组成和配比，制备得到具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿其硬度及结合致密度均有不同程度的下降，这可能是因为粘结剂在熔覆过程中粘结剂中的部分碳元素和金属元素钠也参与形成高熵合金涂层，且在上述添加量时，能够形成更高硬度的高熵合金涂层。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤D中，将高熵合金涂层粉和粘接剂按照质量比为1:0.8～1.1的比例混合均匀后涂在硬质合金钻齿的待熔覆面上。
上述具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，步骤E中，激光熔覆时采用的激光器为1.5kW型连续激光光纤激光器；激光器的输入波长为1080nm，输出光束模式为高斯光束，光斑尺寸为直径1.5mm；激光熔覆的功率为600～900W，激光熔覆的扫描速度为400～800mm/min；离焦量为-20～-25mm。
高熵合金是由5种或5种以上的合金元素组成，各组分合金元素的含量介于5wt％～35wt％之间。高熵效应能抑制金属间化合物的生成，促进形成单一的固溶体结构；高熵合金的晶格畸变效应，使得固溶强化效果明显，在一系列的强化效应下使得高熵合金具有诸多优异的性能，如高硬度、优异的耐磨性、高温抗氧化性等。激光熔覆技术是近年来发展最快的涂层技术之一，该技术使用激光束为热源，在激光束的作用下将同步送出的粉末或者预置在钻齿表面的粉末熔化，从而形成新的涂层。与传统的制备工艺相比，激光熔覆技术具有以下特点：(1)可制备复杂结构零部件，减少材料损耗；(2)使用的材料范围广，可根据工况需求搭配不同的材料体系；(3)激光能量密度高，冷却速度快，可得到更加细化的晶粒组织。本发明将混合的金属粉末粘结在在钻齿材料的表面，利用激光束将粉末熔化，使各金属元素在熔池中进行扩散，形成满足高熵合金条件的固溶体。激光熔覆法制备抗氧化耐磨高熵合金涂层优点多：技术熔化温度可控，几乎适用于所有的元素体系；冷却速度快，得到的组织细小，致密；涂层与钻齿基体呈冶金结合，结合力强；通过控制工艺参数，可以得到较低的稀释率，对钻齿基体的影响小。此外，还可通过调整熔覆过程中的送粉、功率、扫描方式等参数来制备复合涂层；也可以针对不同的施工环境，调整高熵合金的配比，涂覆不同的涂层，达到节省成本的目的。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明利用激光熔覆技术将高性能的高熵合金做成涂层涂覆在钻齿的表面，可使得钻齿具有高强度、高硬度、良好的耐磨性、优秀的耐蚀性、较好的磁性能等，从而提高钻齿在硬岩和极硬岩地层滚压破岩的使用寿命，有效降低更换刀头的次数，提高钻进效率，减少破岩刀具的磨损量，以及因钻齿磨损失效造成的提钻，降低钻进成本及安全风险。
CoCrFeNbNi系高熵合金为FCC和Laves相组成的共晶高熵合金，共晶高熵合金具有较好的流动性，在熔覆过程中熔池更容易铺展，可以降低涂层缺陷；Laves相的高温力学性能非常优异，可以提高材料的高温强度；且铌元素的添加能够使高温下合金的氧化层和金属的界面形成一层Laves相障碍层从而提高合金的抗氧化能力。硅元素的添加会促进更多Laves相的析出，提高涂层的硬度，且在高温氧化过程中，Laves相中的硅元素会取代铌元素的氧化，在界面处产生更加稳定的(Cr,Si)Ox内氧化层，从而有效抑制氧的进一步内扩散，提高了涂层高温抗氧化能力。另外，熔覆粉末中添加的碳元素能与铌元素的发生扩散反应，原位生成细小的MC强化颗粒，随着温度升高，涂层表面产生了保护性的氧化膜，氧化膜与硬度共同决定了涂层的耐磨性和使用寿命。
本发明将硅和碳分别以FeSi粉和FeCrC粉的形式与特定比例的铬、钴、镍、铁和铌五种金属单质混合，并控制高熵合金涂层粉的粒径，通过粘结剂将高熵合金涂层粉涂覆在硬质合金钻齿的待熔覆面上，同时控制激光熔覆的工艺参数，得到了与硬质合金钻齿结合紧密的高熵合金涂层，使得硬质合金钻齿不仅强度高、硬度好，而且具有较好的耐磨性、耐蚀性，有效延长了硬质合金钻齿在硬岩和极硬岩地层滚压破岩中的使用寿命。
附图说明
图1本发明实施例中具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的结构示意图。
图中附图标记表示为：1-高熵合金熔覆层；2-熔覆面；3-硬质合金钻齿。
具体实施方式
本实施例具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：将硬质合金基体加工成硬质合金钻齿；本实施例采用的硬质合金基体为碳化钨板；
步骤B：将硬质合金钻齿的待熔覆面打磨后，用酒精超声清洗去除油污备用；硬质合金钻齿的待熔覆面打磨目数为600目；
步骤C：将Cr粉、Co粉、Ni粉、Fe粉、Nb粉、FeSi粉和FeCrC粉放入球磨罐中，并向球磨罐中加入碳化钨WC研磨球，在室温下使用球磨机进行球磨，高熵合金涂层粉与碳化钨WC研磨球的质量之比为5:1；球磨机的转速为80r/min，球磨时间为5h，球磨结束后，得到高熵合金涂层粉CoCrFeNiNb0.5Si0.2C0.1；高熵合金涂层粉中Co元素、Cr元素、Fe元素、Ni元素、Nb元素、Si元素和C元素的摩尔比为1:1:1:1:0.5:0.2:0.1，将高熵合金涂层粉中各元素原子比换算成对应质量分数，并用0.01g精度电子天平称重配料；本实施例中所用的Cr粉、Co粉、Ni粉、Fe粉、Nb粉、FeSi粉和FeCrC粉的粒径均在75～150μm之间，且纯度均大于或等于99.5wt％；FeSi粉由铁、硅、铬和碳四种元素组成，且铁、硅、铬和碳的物质的量之比为1:3:0.2:0.3；FeCrC粉由铁、铬和碳三种元素组成，且铁、铬和碳三种元素的物质的量之比为2:0.5:1.5；
步骤D：将高熵合金涂层粉和粘接剂按照质量比为1:0.6的比例混合均匀后涂覆在硬质合金钻齿的待熔覆面上，涂覆的厚度为1mm，并将涂覆有高熵合金涂层粉的硬质合金钻齿放入干燥箱中干燥，干燥箱的烘干温度为80℃，烘干时间为2h；干燥结束后，得到待熔覆硬质合金钻齿；干燥的目的是避免粉末吸收水汽导致熔覆过程中形成气孔；本实施例中，粘接剂由羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和水组成，且羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇三者的质量之比为3:10:15；粘结剂中羧甲基纤维素钠的质量分数为0.3wt％；聚丙烯酸的相对分子质量在3000～6000；聚乙烯醇的平均分子量为11万；
步骤E：在氩气保护气氛下，将待熔覆硬质合金钻齿置于加工台上进行激光熔覆，得到熔覆涂层硬质合金钻齿；激光熔覆采用的激光器为1.5kW型连续激光光纤激光器，激光器输入波长为1080nm，输出光束模式为高斯光束，光斑尺寸为直径1.5mm。为保证粉末的充分熔化，激光熔覆的功率选择在700W，扫描速度选择在600mm/min，在高斯光束中，负离焦量的光束具有更均匀的能量分布，因此本实施例的离焦量选择为-20mm。将烘干的待熔覆硬质合金钻齿放在加工台上，依次打开冷却***，激光***，设置熔覆参数，依次打开保护气氛、激光输出和运动***，为防止粉末的氧化，熔覆过程在氩气保护气氛下进行。该过程是以高能量激光束为能量来源，将高熵合金粉末进行熔化并快速凝固的过程，在待熔覆硬质合金钻齿上沉积二维熔覆层的直接制造。
本实施例制备的钻齿具有高强度、高硬度、高耐磨性、优秀的耐蚀性以及较好的磁性能等。将本实施例制备的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿用于硬岩和极硬岩地层滚压破岩中均表现了较好的耐磨性：在硬岩(本实施例选择岩石硬度单轴抗压强度为215MPa的花岗岩)中钻进时，相比普通碳化钨钻齿其钻进距离延长了1.78倍；在极硬岩(本实施例选择岩石硬度单轴抗压强度为310MPa的粗玄岩)中钻进时，相比普通碳化钨钻齿且钻进距离延长了1.35倍；因此，本实例制备的硬质合金钻齿具有较长的使用寿命，解决了在硬岩和极硬岩地层滚压破岩时滚刀因钻齿磨损失效引起的提钻，降低了反井钻机、竖井掘进机等钻进时的施工成本。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A：将硬质合金基体加工成硬质合金钻齿；
步骤B：将硬质合金钻齿的待熔覆面打磨后，用酒精超声清洗备用；
步骤C：将铬、钴、镍、铁、铌、硅和碳七种元素以粉末状单质或合金粉末的形式放入球磨罐中，并向球磨罐中加入碳化钨WC研磨球，在室温下使用球磨机进行球磨，球磨结束后，得到高熵合金涂层粉；
步骤D：将高熵合金涂层粉用粘接剂粘结在硬质合金钻齿的待熔覆面上，并将粘结有高熵合金涂层粉的硬质合金钻齿放入干燥箱中干燥，干燥结束后，得到待熔覆硬质合金钻齿；
步骤E：在氩气保护气氛下，将待熔覆硬质合金钻齿置于加工台上进行激光熔覆，得到熔覆涂层硬质合金钻齿。
2.根据权利要求1所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤C中，高熵合金涂层粉中铬元素、钴元素、镍元素、铁元素、铌元素、硅元素和碳元素的物质的量之比为1:1:1:1:(0.4～0.6):(0.1～0.3):(0.05～0.15)。
3.根据权利要求2所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤C中，高熵合金涂层粉中铬元素、钴元素、镍元素、铁元素、铌元素、硅元素和碳元素的物质的量之比为1:1:1:1:0.5:0.2:0.1。
4.根据权利要求1所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤A中：硬质合金基体为碳化钨板；步骤B中，硬质合金钻齿的待熔覆面打磨目数大于或等于400目且小于或等于800目；步骤C中，铬、钴、镍、铁和铌五种元素均以粉末状金属单质的形式加入，硅元素以FeSi粉的形式加入，碳元素以FeCrC粉的形式加入。
5.根据权利要求4所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤C中，铬、钴、镍、铁和铌五种元素的粉末状金属单质、FeSi粉和FeCrC粉的粒径均在75～150μm之间，且纯度均大于或等于99.5wt％；FeSi粉由铁、硅、铬和碳四种元素组成，且铁、硅、铬和碳的物质的量之比为1:2～4:0.1～0.5:0.1～0.5；FeCrC粉由铁、铬和碳三种元素组成，且铁、铬和碳三种元素的物质的量之比为1～3:0.2～0.5:1～2。
6.根据权利要求1所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤C中，高熵合金涂层粉与碳化钨WC研磨球的质量之比为4～6:1；球磨机的转速为60～100r/min，球磨时间为2～8h；步骤D：硬质合金钻齿的待熔覆面上粘结的高熵合金涂层粉的厚度为0.8～1.2mm；干燥箱的烘干温度为75～85℃，烘干时间为1.5～2.5h。
7.根据权利要求6所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤C中，高熵合金涂层粉与碳化钨WC研磨球的质量之比为5:1；球磨机的转速为80r/min，球磨时间为4～8h；步骤D：硬质合金钻齿的待熔覆面上粘结的高熵合金涂层粉的厚度为1.0mm；干燥箱的烘干温度为80℃，烘干时间为2h。
8.根据权利要求1所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤D中，粘结剂由羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇和水组成，且羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇三者的质量之比为2～5:10:15；粘结剂中羧甲基纤维素钠的质量分数为0.05～1.0wt％；聚丙烯酸的相对分子质量在3000-6000；聚乙烯醇的平均分子量为11万～13万。
9.根据权利要求8所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤D中，将高熵合金涂层粉和粘接剂按照质量比为1:0.5～1的比例混合均匀后涂在硬质合金钻齿的待熔覆面上。
10.根据权利要求1所述的具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法，其特征在于，步骤E中，激光熔覆时采用的激光器为1.5kW型连续激光光纤激光器；激光器的输入波长为1080nm，输出光束模式为高斯光束，光斑尺寸为直径1.5mm；激光熔覆的功率为600～900W，激光熔覆的扫描速度为400～800mm/min；离焦量为-20～-25mm。
CN202210348139.XA 2022-03-30 2022-03-30 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法 Pending CN114836748A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210348139.XA CN114836748A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210348139.XA CN114836748A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114836748A true CN114836748A (zh) 2022-08-02

Family

ID=82564491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210348139.XA Pending CN114836748A (zh) 2022-03-30 2022-03-30 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114836748A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108359978A (zh) * 2018-04-13 2018-08-03 贵州大学 一种铁基记忆合金激光熔覆复合涂层粉末及其制备和使用方法
CN110331398A (zh) * 2019-07-22 2019-10-15 中南大学 一种高熵合金复合大颗粒碳化钨的复合涂层及其制备方法和应用
CN111850550A (zh) * 2020-08-04 2020-10-30 哈尔滨工业大学（威海） 一种激光熔覆用wc增强高熵合金粉末及覆层制备方法
CN112226758A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 北京科技大学 一种耐磨抗氧化高熵合金涂层及其制备方法
CN114147215A (zh) * 2021-12-03 2022-03-08 广东省科学院新材料研究所 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108359978A (zh) * 2018-04-13 2018-08-03 贵州大学 一种铁基记忆合金激光熔覆复合涂层粉末及其制备和使用方法
CN110331398A (zh) * 2019-07-22 2019-10-15 中南大学 一种高熵合金复合大颗粒碳化钨的复合涂层及其制备方法和应用
CN111850550A (zh) * 2020-08-04 2020-10-30 哈尔滨工业大学（威海） 一种激光熔覆用wc增强高熵合金粉末及覆层制备方法
CN112226758A (zh) * 2020-09-17 2021-01-15 北京科技大学 一种耐磨抗氧化高熵合金涂层及其制备方法
CN114147215A (zh) * 2021-12-03 2022-03-08 广东省科学院新材料研究所 一种用于超高速激光熔覆的碳化钨增强高熵合金复合粉末及其涂层和制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102453901B (zh) 在石油钻杆表面制备wc硬质合金耐磨带的方法
CN112191854B (zh) 一种3d打印用硬质合金粉末及其应用
CN103737273A (zh) 一种激光熔覆wc耐磨涂层的新型滚刀的制作工艺
CN111850550A (zh) 一种激光熔覆用wc增强高熵合金粉末及覆层制备方法
CN109277576B (zh) 钢-碳化物/铁-钢多层复合耐磨材料及其制备方法
CN107760956B (zh) 一种硬质合金及局部激光涂覆硬质合金工艺
CN111850374B (zh) 一种激光熔覆用高熵合金粉末及覆层制备方法
CN107447154A (zh) 一种矿用工具硬质合金及其制备方法
CN104789961A (zh) 一种带有多尺度强化相涂层的耐磨斗齿及等离子熔覆方法
CN102465289B (zh) 在测井装置电阻率测量仪壳体上制备wc硬质合金耐磨带的方法
CN1252315C (zh) 硬质合金涂层的激光直接合成与制造方法
CN113059161B (zh) 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法
CN112663050B (zh) 原位自生纳米核壳结构TiC/Ti5Si3颗粒增强复合涂层及其制备方法
CN114574748A (zh) 一种高耐磨性的高熵合金涂层材料
CN114836748A (zh) 一种具有高熵合金涂层的硬质合金钻齿的制备方法
CN112609180A (zh) 一种原位自生纳米TiC颗粒增强梯度复合涂层及其制备方法
CN106835121A (zh) 一种强化截齿的制备方法
CN114559031B (zh) 高速激光熔覆合金粉末、其制备方法、涂层及应用
CN115404476A (zh) 一种激光熔覆原位生成用合金粉末及使用该粉末制备熔覆层
CN114653954A (zh) 一种激光熔覆纳米涂层盾构机微织构刀具
CN111961942B (zh) 一种耐磨材料、制备方法及应用
CN113249721A (zh) 一种提高Hastelloy c-276镍铬钼合金激光熔覆层性能的方法
CN110643931B (zh) 一种盾构刀具耐磨涂层及制备方法
CN115233220B (zh) 一种用于激光熔覆碳、硼共同强化的耐磨材料
CN117066501B (zh) 一种耐磨合金材料、盾构耐磨刀圈及盾构机

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination