一种耐腐蚀涂层强化钻杆及其制备方法与流程

本发明涉及钻具钻杆
技术领域：
，尤其涉及一种耐腐蚀涂层强化钻杆制备方法。
背景技术：
：钻杆是钻柱的重要组成部分，连接钻机地表设备和钻井底端，起到施加钻压、传递动力以及输送钻井液等作用。在深海勘探以及深海油气开采等钻井过程中，钻杆长时间服役于海水和含盐钻井液环境中，会与周围腐蚀介质发生化学腐蚀和电化学腐蚀，造成表面产生腐蚀坑和剥落层，引起应力集中，进而导致严重的腐蚀疲劳破坏，使得整体钻进效率降低。有统计资料显示，钻杆的失效行为占到整体钻具失效破坏的51.9％。因此改善钻杆表面的耐腐蚀性能对延长钻具寿命、提升钻进效率至关重要。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐腐蚀涂层强化钻杆及其制备方法，本发明通过表面增强钻杆的冷喷涂fe基非晶合金涂层喷涂工艺，解决了水系作业以及海洋环境中服役的钻杆表面耐腐蚀性差的问题。本发明提供了一种耐腐蚀涂层强化钻杆，包括：钻杆基体；设置在所述钻杆基体表面的ni-al层；设置在所述ni-al层表面的fe基非晶合金涂层。本发明对所述钻杆基体的材质没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的钻杆基体材质即可，如可采用45mn2合金钢管作为钻杆基体。在本发明中，所述ni-al层的成分优选包括：93～97wt％ni；3～7wt％al。在本发明中，所述ni的质量含量优选为94～96％，更优选为95％；所述al的质量含量优选为4～6％，更优选为5％。在本发明中，所述ni-al层的厚度优选为50～100μm，更优选为60～90μm，最优选为70～80μm。在本发明中，所述fe基非晶合金涂层的成分为：cr：13.0～15.0wt％；mo：25.0～27.0wt％；b：1.0～2.0wt％；y：3.0～5.0wt％；c：3.0～5.0wt％；余量为fe。在本发明中，所述cr的质量含量优选为13.5～14.5％，更优选为14％；所述mo的质量含量优选为25.5～26.5％，更优选为26％；所述b的质量含量优选为1.2～1.8％，更优选为1.4～1.6％；所述y的质量含量优选为3.5～4.5％，更优选为4％；所述c的质量含量优选为3.5～4.5％，更优选为4％。本发明采用上述成分的fe基非晶合金涂层，非晶合金涂层没有普通合金所具有的晶界位错等缺陷，本发明中cr元素具有很好的抗点蚀性，使整体材料耐腐蚀性好。在本发明中，所述fe基非晶合金涂层的厚度优选为600～800μm，更优选为650～750μm，最优选为700μm。本发明提供了一种耐腐蚀涂层强化钻杆的制备方法，包括：将钻杆基体进行预处理；在预处理后的钻杆基体表面电弧喷涂ni-al原料粉末，形成ni-al层；在所述ni-al层表面冷喷涂fe基非晶合金原料粉末，形成fe基非晶合金涂层。在本发明中，所述预处理的方法优选为：将钻杆基体依次进行除氧化、除油、除锈和喷砂粗化。本发明对所述除氧化、除油和除锈的具体方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的对金属进行除氧化、除油和除锈的技术方案，使钻杆基体露出洁净光亮的金属表面即可。在本发明中，所述喷砂粗化优选采用金刚砂；所述金刚砂的粒度优选为250～800μm，更优选为300～700μm，更优选为400～600μm，最优选为500μm。在本发明中，所述喷砂粗化的喷砂压力优选为0.1～0.3mpa，更优选为0.2mpa；喷砂时间优选为24～40s，更优选为30～35s；喷砂距离优选为25～40mm，更优选为30～35mm。在本发明中，所述喷砂粗化后优选采用丙酮进行超声清洗，自然晾干。在本发明中，所述丙酮的体积分数优选为99.9％。在本发明中，所述电弧喷涂为以电弧为热源，将熔化了的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。本发明优选采用高速电弧热喷涂设备进行电弧喷涂。在本发明中，高速电弧喷涂时，利用送丝装置将两根镍铝合金丝喷涂材料连接到电源正负极；当两根合金丝材端部互相接触时，端部短路产生电弧，电弧产生的热量将丝材端部瞬间熔化，利用压缩空气把熔化金属雾化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂ni-al合金层。在本发明中，所述ni-al原料粉末的成分与上述技术方案所述ni-al层的成分一致，在此不再赘述。在本发明中，所述ni-al原料粉末优选为气雾法制备的镍铝合金粉末。在本发明中，所述气雾法制备ni-al原料粉末的方法优选为：利用真空熔炼高压气体雾化制粉技术，将93～97wt％的纯镍和3～7wt％的纯铝放入感应炉内，待金属熔化、精炼后，将得到的合金熔体转入保温坩埚内，熔体流经导管和喷嘴被高压气体流雾化，最后得到ni-al原料粉末。在本发明中，所述ni-al原料粉末的粒度优选为5～100μm，更优选为10～90μm，更优选为20～80μm，更优选为30～70μm，更优选为40～60μm，最优选为50μm，所述ni-al原料粉末优选球形粒度完好。在本发明中，优选将ni-al原料粉末通过挤压成型的方法制备成电弧喷涂镍铝合金丝材；所述电弧喷涂镍铝合金丝材的直径优选为2.5～3.5mm，更优选为3mm。在本发明中，所述电弧喷涂过程中的电压优选为22～28v，更优选为24～26v，最优选为25v；电流优选为100～140a，更优选为110～130a，最优选为120a；空气压力优选为0.5～1.0mpa，更优选为0.6～0.9mpa，最优选为0.7～0.8mpa；喷涂距离优选为50～80mm，更优选为60～70mm，最优选为65mm。本发明为了增强fe基非晶合金涂层和钻杆基体的结合强度，在对钻杆进行除氧化、除油、除锈以及喷砂粗化等预处理后，利用高速电弧喷涂技术在钻杆上预先喷涂ni-al合金作为打底层，再利用冷喷涂技术在钻杆基材/ni-al打底层表面制备fe基非晶合金涂层，最后得到钻杆基材/ni-al打底层/fe基非晶合金复合涂层。本发明提供的方法一方面可以增强涂层材料与基体的结合强度，另一方面可以大为增加其耐腐蚀性能。在本发明中，所述fe基非晶合金原料粉末的成分与上述技术方案所述fe基非晶合金涂层成分一致，在此不再赘述。在本发明中，所述fe基非晶合金原料粉末的粒度优选为5～45μm，更优选为10～40μm，更优选为15～35μm，最优选为20～30μm；所述fe基非晶合金原料粉末形貌优选为球形或者类球形。在本发明中，所述fe基非晶合金原料粉末优选为2～30μm的细粉。在本发明中，所述冷喷涂之前，优选将fe基非晶合金原料粉末在鼓风机中进行干燥，所述干燥的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃，最优选为40℃。本发明采用冷喷涂方法，对非晶粉末及涂层的热输入小，不会产生氧化或相变等缺陷，可维持材料本身的耐腐蚀性。长期使用若涂层腐蚀严重，可重新喷涂，提高钻杆的使用率。现有技术一般通过对成型钻杆进行调质、热加工等后处理工艺增强其耐腐蚀性，但会存在微裂纹、凹坑等缺陷，且钻杆经腐蚀后可重复使用的效率低下。在本发明中，所述冷喷涂的方法优选具体为：将原料粉末装入送粉器中，将钻杆基体固定在喷涂夹具上，设置喷涂参数后，利用低温、高压惰性气体通过收缩-扩散型的拉瓦尔喷嘴产生高速气流，带动原料粉末快速喷向基体发生强塑性变形，最终形成fe基非晶合金涂层。在本发明中，所述冷喷涂过程中的工作气体优选为惰性气体，更优选为氮气；喷涂压力优选为4.2～5.0mpa，更优选为4.4～4.8mpa，最优选为4.5～4.6mpa；喷涂温度优选为800～1000℃，更优选为850～950℃，最优选为900℃；喷涂距离优选为15～35mm，更优选为20～30mm，最优选为25mm；钻杆基体的转速优选为2.5～4.5rpm，更优选为3～4rpm，最优选为3.5rpm；喷涂角度优选为85～95°，更优选为90°。本发明提供的耐腐蚀涂层强化钻杆具有高硬度，高耐腐蚀性等优异性能，其硬度达到1000±50hv0.1，涂层的孔隙度达到0.4％。采用低于非晶合金晶化温度的工作温度，使喷涂得到的非晶合金涂层具有很高的非晶含量(90％)，避免了晶界或者缺陷，有效避免晶间腐蚀和应力腐蚀开裂。喷涂中粉末在到达钻杆基体之前都处于非熔融状态，故工作环境中氧气对合金粉末的影响甚微，涂层中基本不存在氧化现象，涂层成分元素分析中氧元素的含量极少，低于6％，降低了电化学腐蚀对涂层的破坏。较低的工作温度能够极大地减少基材因喷涂带来的热量输入，避免基体因高温产生相变、位错甚至变形。本发明采用的fe基非晶合金粉末为低成本的工业原料，具有经济效益好，冷喷涂设备操作可控性高，易实现大规模工业生产应用的优势。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为实施例1中耐腐蚀涂层强化钻杆和钻杆基体的显微硬度曲线；图2为实施例1中钻杆基体和fe基非晶合金涂层的极化曲线。具体实施方式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，都属于本发明保护的范围。实施例1利用真空熔炼高压气体雾化制粉技术，将95wt％的纯镍和5wt％的纯铝放入感应炉内，待金属熔化、精炼后，将得到的熔体转入制粉的保温坩埚内，熔体流经导管和喷嘴被高压气体流雾化，得到95ni-5al粉末原料。利用冷挤压成型设备将上述95ni-5al原料粉末，通过模具挤压成丝，得到表面具有明显金属光泽的直径为3.0mm的镍铝合金丝材。fe基非晶合金粉末原料的成分为：cr：14wt％；mo：26wt％；b：1.5wt％；y：4wt％；c：4wt％；余量为fe；粒度为2～30μm。将45mn2合金钢管作为钻杆基体，依次对其进行除氧化、除油、除锈和喷砂粗化，采用粒度为250～800μm的金刚砂，喷砂压力为0.2mpa，喷砂时间为30s，距离为35mm。喷砂粗化完成后利用体积分数为99.9％的丙酮超声清洗，自然晾干。利用高速电弧热喷涂设备，将上述镍铝合金丝材喷涂在喷砂粗化后的钻杆基体表面，高速电弧喷涂镍铝丝材过程中：电压为25v，电流为120a，空气压力为0.7mpa，喷涂距离为65mm，形成厚度为50μm的ni-al层。将上述fe基非晶合金原料粉末在鼓风机中40℃下进行干燥，将上述喷涂ni-al层的钻杆基体固定在夹具上进行冷喷涂；冷喷涂过程中的工作气体为高纯氮气，将高纯氮气预热到900℃，喷涂压力为4.5mpa，喷涂距离为25mm，钻杆基体转速3.5rpm，喷涂角度90°，形成厚度为700μm的fe基非晶合金层，得到耐腐蚀涂层强化钻杆。采用显微硬度计(micemet-6030，buehler，美国)测试维氏硬度，测试载荷为100g，作用持续时长为5s；测试本发明实施例1获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层和钻杆基体的维氏硬度，检测结果如图1所示，由图1可知，本发明实施例1获得的fe基非晶合金涂层的平均维氏硬度为1000hv，高于钻杆基体硬度。采用上海晨华chi660e型电化学工作站测定电化学腐蚀行为，电化学测试采用三电极体系，对电极、参比电极、工作电极分别为铂片、饱和甘汞电极和待测试样(暴露面积为10×10mm)；先在开路电压下预扫60min，扫描速度为60mv/s，初始电位为-1v，终止电位为1.5v。测试本发明实施例1获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层和钻杆基体的极化曲线，检测结果如图2所示，由图2可知，本发明实施例1获得的fe基非晶合金涂层的腐蚀电位为-0.8vsce，低于钻杆基体的腐蚀电位，且钝化区要更宽，有最宽的钝化区间，表现出优异的抗腐蚀性能。采用人工模拟海水(3.5wt％的nacl水溶液)腐蚀介质进行腐蚀试验，试验在常温下进行，将待测样品浸泡在3.5wt％的nacl水溶液中，温度为室温，浸泡时间为60天，每隔2天将样品取出进行清洗干燥称重，计算腐蚀速率。测试本发明实施例1获得的耐腐蚀涂层强化钻杆和钻杆基体的腐蚀速率，检测结果如表1所示。表1本发明实施例1获得的耐腐蚀涂层强化钻杆和钻杆基体的腐蚀速率材质温度失重/g腐蚀速率/(mm·a-1)耐腐蚀涂层强化钻杆室温0.01260.045钻杆基体室温0.03070.083由表1可知，耐腐蚀涂层强化钻杆的失重情况以及腐蚀速率均要低于钻杆基体，前者约为后者的一半，且浸泡腐蚀后的耐腐蚀涂层强化钻杆的表面点蚀坑的数量和尺寸大小要明显小于钻杆基体，表面没有肉眼可见的裂纹，表明涂层可以有效地延缓钻杆的腐蚀失效，增加钻杆在实际工况条件下的服役寿命。实施例2利用真空熔炼高压气体雾化制粉技术，将95wt％的纯镍和5wt％的纯铝放入感应炉内，待金属熔化、精炼后，将得到的熔体转入制粉的保温坩埚内，熔体流经导管和喷嘴被高压气体流雾化，得到95ni-5al粉末原料。利用冷挤压成型设备将上述95ni-5al原料粉末，通过模具挤压成丝，得到表面具有明显金属光泽的直径为3.0mm的镍铝合金丝材。fe基非晶合金粉末原料的成分为：cr：13wt％；mo：25wt％；b：1.0wt％；y：3wt％；c：3wt％；余量为fe；粒度为2～30μm。将45mn2合金钢管作为钻杆基体，依次对其进行除氧化、除油、除锈和喷砂粗化，采用粒度为250～800μm的金刚砂，喷砂压力为0.1mpa，喷砂时间为24s，距离为25mm。喷砂粗化完成后利用体积分数为99.9％的丙酮超声清洗，自然晾干。利用高速电弧热喷涂设备，将上述镍铝合金丝材喷涂在喷砂粗化后的钻杆基体表面，高速电弧喷涂镍铝丝材过程中：电压为22v，电流为100a，空气压力为0.5mpa，喷涂距离为50mm，形成厚度为75μm的ni-al层。将上述fe基非晶合金原料粉末在鼓风机中40℃下进行干燥，将上述喷涂ni-al层的钻杆基体固定在夹具上进行冷喷涂；冷喷涂过程中的工作气体为高纯氮气，将高纯氮气预热到800℃，喷涂压力为4.2mpa，喷涂距离为15mm，钻杆基体转速2.5rpm，喷涂角度90°，形成厚度为800μm的fe基非晶合金层，得到耐腐蚀涂层强化钻杆。按照实施例1的方法，测试本发明实施例2获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层的维氏硬度，检测结果为，本发明实施例2获得的fe基非晶合金涂层的平均维氏硬度为1050hv，高于钻杆基体硬度。按实施例1的方法，测试本发明实施例2获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层的极化曲线，检测结果为，本发明实施例2获得的fe基非晶合金涂层的腐蚀电位为-0.83vsce，低于钻杆基体的腐蚀电位，且钝化区要更宽，有最宽的钝化区间，表现出优异的抗腐蚀性能。按照实施例1的方法，测试本发明实施例2获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的腐蚀速率，检测结果为，本发明实施例2获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的失重为0.0102g，腐蚀速率为0.041mm·a-1。本发明实施例2获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的失重情况以及腐蚀速率均要低于钻杆基体，且浸泡腐蚀后的耐腐蚀涂层强化钻杆的表面点蚀坑的数量和尺寸大小要明显小于钻杆基体，表面没有肉眼可见的裂纹，表明涂层可以有效地延缓钻杆的腐蚀失效，增加钻杆在实际工况条件下的服役寿命。实施例3利用真空熔炼高压气体雾化制粉技术，将95wt％的纯镍和5wt％的纯铝放入感应炉内，待金属熔化、精炼后，将得到的熔体转入制粉的保温坩埚内，熔体流经导管和喷嘴被高压气体流雾化，得到95ni-5al粉末原料。利用冷挤压成型设备将上述95ni-5al原料粉末，通过模具挤压成丝，得到表面具有明显金属光泽的直径为3.0mm的镍铝合金丝材。fe基非晶合金粉末原料的成分为：cr：15wt％；mo：27wt％；b：2.0wt％；y：5wt％；c：5wt％；余量为fe；粒度为2～30μm。将45mn2合金钢管作为钻杆基体，依次对其进行除氧化、除油、除锈和喷砂粗化，采用粒度为250～800μm的金刚砂，喷砂压力为0.3mpa，喷砂时间为40s，距离为40mm。喷砂粗化完成后利用体积分数为99.9％的丙酮超声清洗，自然晾干。利用高速电弧热喷涂设备，将上述镍铝合金丝材喷涂在喷砂粗化后的钻杆基体表面，高速电弧喷涂镍铝丝材过程中：电压为28v，电流为140a，空气压力为1.0mpa，喷涂距离为80mm，形成厚度为100μm的ni-al层。将上述fe基非晶合金原料粉末在鼓风机中40℃下进行干燥，将上述喷涂ni-al层的钻杆基体固定在夹具上进行冷喷涂；冷喷涂过程中的工作气体为高纯氮气，将高纯氮气预热到1000℃，喷涂压力为5.0mpa，喷涂距离为35mm，钻杆基体转速4.5rpm，喷涂角度90°，形成厚度为600μm的fe基非晶合金层，得到耐腐蚀涂层强化钻杆。按照实施例1的方法，测试本发明实施例3获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层的维氏硬度，检测结果为，本发明实施例3获得的fe基非晶合金涂层的平均维氏硬度为960hv，高于钻杆基体硬度。按实施例1的方法，测试本发明实施例3获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的fe基非晶合金层的极化曲线，检测结果为，本发明实施例3获得的fe基非晶合金涂层的腐蚀电位为-0.81vsce，低于钻杆基体的腐蚀电位，且钝化区要更宽，有最宽的钝化区间，表现出优异的抗腐蚀性能。按照实施例1的方法，测试本发明实施例3获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的腐蚀速率，检测结果为，本发明实施例3获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的失重为0.0119g，腐蚀速率为0.044mm·a-1。本发明实施例3获得的耐腐蚀涂层强化钻杆的失重情况以及腐蚀速率均要低于钻杆基体，且浸泡腐蚀后的耐腐蚀涂层强化钻杆的表面点蚀坑的数量和尺寸大小要明显小于钻杆基体，表面没有肉眼可见的裂纹，表明涂层可以有效地延缓钻杆的腐蚀失效，增加钻杆在实际工况条件下的服役寿命。由以上实施例可知，本发明提供了一种耐腐蚀涂层强化钻杆，包括：钻杆基体；设置在所述钻杆基体表面的ni-al层；设置在所述ni-al层表面的fe基非晶合金涂层；所述fe基非晶合金涂层的成分为：cr：13.0～15.0wt％；mo：25.0～27.0wt％；b：1.0～2.0wt％；y：3.0～5.0wt％；c：3.0～5.0wt％；余量为fe。本发明采用上述成分的fe基非晶合金涂层，非晶合金涂层没有普通合金所具有的晶界位错等缺陷，本发明中cr元素具有很好的抗点蚀性，使整体材料耐腐蚀性好。当前第1页12