CN116265608A - 一种钛合金钻杆接头高强耐磨带及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金钻杆接头高强耐磨带及其制备方法，属于石油天然气工业油井管制造技术领域。所述制备方法将待处理的钛合金钻杆接头基体，先进行表面去油污清洁处理，再进行磨削处理，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体；将Co‑Cr‑W‑C合金粉末先进行研磨处理，然后进行烘干，得到干燥的Co‑Cr‑W‑C合金粉末；采用超高速激光熔覆工艺，将干燥的Co‑Cr‑W‑C合金粉末熔覆在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面，得到钛合金钻杆接头高强耐磨带。本发明制得的一种钛合金钻杆接头高强耐磨带属于一种针对深井超深油井的钛合金钻杆的高强耐磨带，解决了传统堆焊技术难度大及钛合金钻杆耐磨带表面结合性差、硬度低、耐磨性差、易产生裂纹和气孔缺陷的问题。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气工业油井管制造技术领域，涉及一种钛合金钻杆接头高强耐磨带及其制备方法。
背景技术
近年来，随着石油工业的发展面临更多的苛刻环境油气井，对材料的要求越来越高，而钛合金钻杆比强度高、耐高温、耐腐蚀等优异特性，在深井、大位移井、含硫井、短半径井、高温高压井等复杂工况油气井中具有很好的应用前景。但是钛合金的耐磨性比钢低，并且钻杆长期处于拉压扭转的复合载荷环境中，与井壁会产生摩擦，影响钛合金钻杆的服役寿命，增加成本，因此提高钛合金钻杆的耐磨性是很有必要的。传统的钢制钻杆耐磨带采用堆焊的方式制备，钛合金材料熔点较高，传统堆焊方式对设备要求较高，难以与耐磨带材料达到冶金结合。而激光熔覆技术属于局部加热，对基体性能的影响较小；与基体呈冶金结合、稀释率低，结合性强，可以生成致密而厚的涂层，是一种很有前景的改善钛合金表面硬度和耐磨性的方法。在钛合金表面激光熔覆耐磨涂层时，粉末材料的选择对涂层的性能有极大地影响，首要的，粉末与钛合金基体的热物性参数(如热膨胀系数、热导性、弹性模量等)差距较大时，极容易产生裂纹和气孔；其次，涂层与基体结合性不高时，在使用过程中，涂层可能发生大片脱落；最后，粉末材料与基体发生冶金结合后形成的相需使得涂层的显微硬度提高或摩擦系数降低，降低磨损率，提高耐磨性能。由此探索钛合金钻杆耐磨带的熔覆方法及材料设计对石油工业发展具有实际性意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钛合金钻杆接头高强耐磨带及其制备方法，解决了传统堆焊技术难度大及钛合金钻杆耐磨带表面结合性差、硬度低、耐磨性差、易产生裂纹和气孔缺陷的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种钛合金钻杆接头高强耐磨带的制备方法，将待处理的钛合金钻杆接头基体，先进行表面去油污清洁处理，再进行磨削处理，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体；将Co-Cr-W-C合金粉末先进行研磨处理，然后进行烘干，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末；采用超高速激光熔覆工艺，将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面，得到钛合金钻杆接头高强耐磨带。
优选地，经磨削处理，将得到的预处理后的钛合金钻杆接头基体，加工至粗糙度Ra≤20μm。
优选地，将Co-Cr-W-C合金粉末通过球磨进行研磨处理，球磨时间为5～7小时。
优选地，研磨处理后进行烘干，烘干时间为1.0～2.0小时。
优选地，超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5500～6000W，光斑直径1.5～2.5mm，扫描线速度为40～55m/min，搭接率70～80％，送粉速率为20～30g/min；超高速激光熔覆工艺过程保护气体为氮气，流量为20～25L/min。
优选地，干燥的Co-Cr-W-C合金粉末在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面的单层熔覆厚度为0.5～1.2mm。
优选地，Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：30％～32％Cr、10％～12％W、2.0％～2.5％C，其余为Co。
优选地，钛合金基体为Ti-Al-V-Zr-Mo体系钛合金。
优选地，Co-Cr-W-C合金粉末采用真空氩气雾化制粉方式制备，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。
本发明公开了采用上述制备方法制得的一种钛合金钻杆接头高强耐磨带。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种钛合金钻杆接头高强耐磨带的制备方法，本发明采用超高速激光熔覆技术作制备手段、复合Co-Cr-W-C合金粉末作熔覆涂层，其中通过采用超高速激光熔覆技术在钛合金钻杆接头表面制备Co-Cr-W-C合金粉末颗粒熔覆层增强钛合金钻杆接头耐磨性，所用超高速激光熔覆技术具有以下优势：激光能量密度均匀，热输入量小，加热快，热影响区小，基材熔化深度在100μm以下，母材对涂层的稀释作用较小；结合性强，残余应力较小，相较堆焊或常规激光熔覆工艺更能有效抑制裂纹、气孔的产生；熔覆层厚度在50～500μm范围内可控，可根据具体需求进行调节；熔覆效率高，是传统激光熔覆效率的5～10倍。
其中，本发明所用Co-Cr-W-C合金粉末在球磨机中均匀混合后，在激光作用下，Cr和C生成主要生成Cr7C3高硬度碳化物，提高熔覆层的耐磨性；此外，Cr原子固溶于Co，提高了基体的强度、抗高温氧化能力和耐腐蚀性能；W的原子尺寸比钴大，固溶于钴中后成为位错流动的壁障，可提高基体的强度，W的含量＞10％，在合金凝固中部分W会以高硬碳化物的形式析出，生成(Cr、W、Co)7C3或(Cr、W、Co)6C，增加合金的高温强度，提高基体的耐磨性。
本发明公开了采用上述制备方法制得的一种钛合金钻杆接头高强耐磨带，该钛合金钻杆接头高强耐磨带属于一种针对深井超深油井的钛合金钻杆的高强耐磨带，通过采用上述超高速激光熔覆方法在钛合金基体表面制备颗粒增强钛基耐磨带材料层，实现钛合金基体与耐磨涂层的致密冶金结合，提高钛合金钻杆接头的耐磨性与使用寿命。
附图说明
图1为本发明制得的钛合金钻杆接头高强耐磨带的实物的接头剖面图；
图2为本发明制得的钛合金钻杆接头高强耐磨带的进行压扁试验时的钛合钻杆接头剖面图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明公开了一种钛合金钻杆接头高强耐磨带，实现了钛合金基体与耐磨涂层的致密冶金结合，该钛合金钻杆接头高强耐磨带的制备方法包括如下步骤：
(1)准备钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工至粗糙度Ra≤20μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体；
(2)将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨5～7小时，并烘干1.0～2.0小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末；
(3)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度0.5～1.2mm，共熔覆2层；超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5500～6000W，光斑直径1.5～2.5mm，扫描线速度为40～55m/min，搭接率70％～80％，送粉速率为20～30g/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(4)再具体应用中，将所得钛合金钻杆接头高强耐磨带采用磨削机加工至要求尺寸，应用于具体配件要求中。
所述步骤(1)中钛合金基体为Ti-Al-V-Zr-Mo体系钛合金。
所述步骤(2)中Co-Cr-W-C合金粉末采用真空氩气雾化制粉方式制备，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。
所述步骤(2)中Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：30％～32％Cr、10％～12％W、2.0％～2.5％C，其余为Co。
所述步骤(3)中超高速激光熔覆工艺过程保护气体为氮气，流量为20～25L/min。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈10μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：30％Cr、10％W、2.0％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g，将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨5小时，并烘干2.0小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度0.8mm，共熔覆2层，总熔覆厚度1.6mm，熔覆长度20mm。超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5500W，光斑直径1.5mm，扫描线速度为40m/min，搭接率70％，送粉速率为20g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为20L/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
实施例2：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈10μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：31％Cr、11％W、2.3％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g，将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨5小时，并烘干2.0小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度0.8mm，共熔覆2层，总熔覆厚度1.6mm，熔覆长度20mm。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5600W，光斑直径2.0mm，扫描线速度为45m/min，搭接率65％，送粉速率为20g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为22L/min。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
实施例3：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈5μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：32％Cr、12％W、2.5％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨7小时，并烘干1.0小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度0.8mm，共熔覆2层，总熔覆厚度1.6mm，熔覆长度20mm。超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5700W，光斑直径2.5mm，扫描线速度为55m/min，搭接率75％，送粉速率为25g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为25L/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
实施例4：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈2μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：32％Cr、12％W、2.5％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨5.5小时，并烘干1.8小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度0.7mm，共熔覆2层，总熔覆厚度1.4mm，熔覆长度20mm。超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5800W，光斑直径2.0mm，扫描线速度为50m/min，搭接率80％，送粉速率为30g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为21L/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
实施例5：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈15μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：31％Cr、11％W、2.2％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨6小时，并烘干1.5小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度1.2mm，共熔覆2层，总熔覆厚度2.4mm，熔覆长度20mm。超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5900W，光斑直径1.5mm，扫描线速度为40m/min，搭接率75％，送粉速率为28g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为24L/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
实施例6：
一种超深油井钛合金钻杆耐磨带及其制备方法，具体包括以下步骤：
(1)准备Ti-Al-V-Zr-Mo钛合金钻杆接头基体，表面去油污清洁，磨削加工，获得表面粗糙度Ra≈20μm，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体。
(2)Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：30％Cr、10％W、2.4％C，其余为Co。
(3)采用真空氩气雾化制粉方式制备Co-Cr-W-C合金粉末，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。将Co-Cr-W-C合金粉末放入真空球磨机中球磨6.5小时，并烘干1.2小时，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末。
(4)采用超高速激光熔覆工艺将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在Co-Cr-W-C合金粉末钛合金钻杆接头基体表面，单层熔覆厚度1.0mm，共熔覆2层，总熔覆厚度2.0mm，熔覆长度20mm。超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率6000W，光斑直径2.5mm，扫描线速度为55m/min，搭接率70％，送粉速率为21g/min。工艺过程保护气体为氮气，流量为23L/min。以此制得钛合金钻杆接头高强耐磨带。
(5)对钛合金钻杆接头高强耐磨带磨削机加工至厚度1.2mm。
对上述制备的耐磨带表面按照JB/T 4730.5-2005标准进行荧光渗透无损检测，未发现裂纹缺陷；按照SY/T 6948-2013标准进行结合强度测试，耐磨带没有剥落，耐磨带与母材没有分离。
对上述实施例1～3制得的耐磨带分别用显微硬度仪进行硬度测试，测试标准按照GB/T 2654-2008，每个耐磨带涂层测试15个点，取平均硬度值。同时，与传统合金钢堆焊耐磨带作对比，进行了相同的硬度测试。测试结果如表1所示。
对上述实施例1～3制得的耐磨带分别进行试环-试块滑动磨损试验，测试标准按照GB/T 12444-2006，上试验块采用硬度约为HV1400的硬质合金YG8，下试验环为带有耐磨涂层的对磨试验环，试验载荷200N，转速200r/min，时间60min。材料耐磨性以磨损失重量标定，每个实施例测试3组，取平均值。同时，与传统合金钢堆焊耐磨带作对比，进行了相同的摩擦磨损测试。测试结果如表1所示。
表1耐磨带硬度、磨损失重
| 案例 | 硬度(HV) | 失重量(mg) |
| 实施例1 | 735 | 58 |
| 实施例2 | 756 | 50 |
| 实施例3 | 772 | 45 |
| 钢制钻杆接头堆焊耐磨带 | 668 | 103 |
由上表可以看出，采用超高速激光熔覆方法制备的Co-Cr-W-C合金粉末增强钛合金钻杆接头耐磨带的硬度和摩擦磨损失重量均高于钢制钻杆接头堆焊耐磨带表现出更优异的耐磨性能。同时，随着Co-Cr-W-C合金各合金化元素的增加，耐磨带的硬度逐渐增加，耐磨性提高。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2可知，钻杆表面形成了2mm左右厚度均匀的耐磨带，经压扁试验测试其硬度时，耐磨带无翘起、脱落现象，结果表明制得的耐磨带均匀致密，与基体的结合性好。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钛合金钻杆接头高强耐磨带的制备方法，其特征在于，将待处理的钛合金钻杆接头基体，先进行表面去油污清洁处理，再进行磨削处理，得到预处理后的钛合金钻杆接头基体；
将Co-Cr-W-C合金粉末先进行研磨处理，然后进行烘干，得到干燥的Co-Cr-W-C合金粉末；
采用超高速激光熔覆工艺，将干燥的Co-Cr-W-C合金粉末熔覆在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面，得到钛合金钻杆接头高强耐磨带。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，经磨削处理，将得到的预处理后的钛合金钻杆接头基体，加工至粗糙度Ra≤20μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将Co-Cr-W-C合金粉末通过球磨进行研磨处理，球磨时间为5～7小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，研磨处理后进行烘干，烘干时间为1.0～2.0小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，超高速激光熔覆工艺参数为：激光功率5500～6000W，光斑直径1.5～2.5mm，扫描线速度为40～55m/min，搭接率70～80％，送粉速率为20～30g/min；
超高速激光熔覆工艺过程保护气体为氮气，流量为20～25L/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，干燥的Co-Cr-W-C合金粉末在预处理后的钛合金钻杆接头基体表面的单层熔覆厚度为0.5～1.2mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Co-Cr-W-C合金粉末的各元素质量分数为：30％～32％Cr、10％～12％W、2.0％～2.5％C，其余为Co。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，钛合金基体为Ti-Al-V-Zr-Mo体系钛合金。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，Co-Cr-W-C合金粉末采用真空氩气雾化制粉方式制备，粒度范围25～80μm，D50为25～40μm，流动性≤25s/50g。
10.采用权利要求1～9任意一项所述制备方法制得的一种钛合金钻杆接头高强耐磨带。
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