专利名称：一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头的制作方法
技术领域：
本发明属于石油钻采装备领域，具体涉及一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头。
背景技术：
钻杆接头是石油钻柱的重要部件，其工作条件十分恶劣，受力情况非常复杂。它要承受拉伸，弯曲，扭转，振动等多种载荷。此外，接头在钻 进中还要受到钻井液和地层介质的腐蚀，其外部还会受到严重的磨损，因此钻杆接头的硬化及其防磨防腐性能的提高显得尤为重要。普通金属材料的接头由于难以适应当前的磨损和腐蚀环境，已经逐渐被淘汰。为了提高钻杆接头的使用寿命，一般对其硬度进行提高，石油钻杆接头常用硬化方法有手工补焊，氧乙炔堆焊，等离子弧粉末喷焊，硫氮复合处理等。手工补焊它是直接以电焊方式向接头补焊具有一定厚度的、50毫米左右宽的耐磨层，使用的是管装铸造碳化钨颗粒的焊条。此方法是最直接最初始的硬化修复方法，但此方法工作效率低，且涂层质量不能保证。氧乙炔堆焊以氧乙炔还原焰熔化管装颗粒状碳化钨焊条，在接头表面形成耐磨层。这种方法温度较低，碳化钨颗粒不熔化，能保持耐磨性，氧乙炔火焰堆焊在耐磨表面堆焊中被广泛应用，与其他堆焊方法相比，焊接设备简单、操作灵活、投资成本低，但工效低，要求专门操作的工人。等离子弧粉末喷焊利用氩气等离子弧产生的热量，在钻杆接头表面形成熔池，合金粉末在弧柱中被预热熔化，喷射到熔池内，通过调节参数，可在接头上获得需要的耐磨带。等离子弧喷焊的弧柱稳定，热量集中，热能利用率高，可控性好，能控制热量过度，冲淡率低，但由于重熔过程中基体局部受热后温度达900 V，会产生较大热变形。硫氮复合处理进行渗氮处理后工件中的氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。离子渗硫技术可在金属表面制备FeS固体润滑层从而改善材料抵抗磨损的性能，因此通常在经过氮化处理后的接头在进行离子渗硫处理，从而制备出氮硫符合处理层，提高了表面抗磨损的能力。但是渗氮或渗硫不能局部处理，上下钻杆作业时，管钳夹持部位易打滑，需要特殊的作业工具。另外，复合工艺比较复杂，成本较高。激光熔覆作为一种先进的表面改性技术，随着激光器功率和稳定性的不断提高，得到了广泛应用和迅速推广。激光熔覆技术是指以不同的添料方式在被涂敷基体表面上放置选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性等的工艺方法。现在，它已成为现代表面技术体系中的极具发展前途和颇具特色的新技术之一，并在将来有着广阔的应用前景。而且熔覆层耐磨耐蚀的性能正好可以解决钻杆接头工作中所遇到的问题，这对延长钻杆接头的使用寿命，提高油田钻进的工作效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆钻杆接头，通过将铁基合金粉末用激光熔覆的方式熔覆在钻杆接头表面，形成耐磨耐蚀铁基合金涂层，从而使钻杆接头的耐磨耐蚀性能得到显著提高，延长钻杆接头的使用寿命，提高油田钻井的工作效率。为实现上述目的，本发明采取以下设计方案一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在于，该钻杆接头表面具有一层激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金涂层 ，成型良好，组织致密，成分均匀，且无裂纹，其厚度为O. 3-1. 5mm，且熔覆层不用完全覆盖整个钻杆接头的表面，只需在接头圆柱体的两端易磨带熔覆即可。其中铁基合金粉末的具体成分按照质量百分含量分别为C，0. 1-1. 5 ；Cr,10-30 ；Ni, 1-10 ;Μη，0· 2-3. O ;Μο，0· 1-3. O ；Si, I. 0-2. 5 ;Β，0· 1-3. 5 ;余量为铁，其重量之和为100%。所述的激光熔覆层硬度可达53-58HRC。所述的高硬度激光熔覆铁基熔覆层与基体为冶金结合，其结合强度不低于基材的90%。一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆钻杆接头，其特征在于，熔覆的具体步骤如下(I)基体表面预处理；(2)采用自动送粉器，调整好送粉量；(3)调整好激光器的工作参数，进行激光熔覆；(4)在自然状态下冷却，进行表面清理，检查。所述步骤(I)中的表面预处理为用砂纸或手持式砂轮除锈，用酒精或丙酮清洗直至表面无油污。所述步骤(2)中的送粉量为10 120g/min，根据激光熔覆层所需要厚度调节。所述步骤(3)中的激光熔覆具体工艺参数为高功率CO2激光加工系统，激光功率O. 5 5kW，扫描速度100 400mm/min，搭接率20 30%。一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆钻杆接头，其特征在于，熔覆层不用完全覆盖整个钻杆接头的表面，只需在接头圆柱体的两端易磨带各熔覆30 50mm宽即可。本发明的优点是I.本发明耐磨耐蚀铁基激光熔覆钻杆接头，激光能量密度高、对基体的热影响小，可以对钻杆接头整体处理也可局部处理形成硬化带。2.本发明耐磨耐蚀铁基激光熔覆钻杆接头，其中铁基合金涂层的形成是一种快速加热快速冷却的过程，因此晶粒均匀细小，且含有Cr、Ni、Mo等强化元素，所以整个熔覆层的硬度很高，可达53-58HRC，具有优异的耐磨性和耐蚀性。3.本发明耐磨耐蚀铁基激光熔覆钻杆接头，其中的铁基合金激光熔覆涂层的成分以铁为主，在价格上有一定的优势，且制备过程简单，自动化程度高，质量稳定。4.本发明耐磨耐蚀铁基激光熔覆钻杆接头，其中的铁基合金激光熔覆涂层可以精细控制其厚度(在O. 3_ I. 5_范围内连续可调)，可以消除由于堆焊层太厚带来的钻井杆柱环空减小从而影响钻井液压力及钻井过程的问题。
5.本发明耐磨耐蚀铁基激光熔覆钻杆接头，其中的铁基合金激光熔覆涂层与基体的稀释率低，冶金结合强度高，可以根据需要灵活选择熔覆合金粉末，形成低摩擦系数硬化层。
附图为本发明一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆钻杆接头结构示意图。
实施例对钻杆接头进行激光熔覆处理，其按如下步骤进行(I)将钻杆接头的待处理表面用丙 酮擦拭干净，彻底清除油污。(2)将钻杆接头放到旋转工作台上，使用重力送粉器，调整使其达到合适的送粉量15 30g/mino(3)在送粉的同时用激光对其表面进行扫描，激光熔覆的的工艺参数为激光功率3 4kW，扫描速度200 300mm/min，搭接率20 30%。其中铁基合金粉末的具体成分按照质量百分含量分别为C,0. 1-1.5 ；Cr, 10-30 ;Ni，l_10 ;Μη，0· 2-3.0 ;Μο，0· 1-3. O ；Si,1.0-2. 5 ；Β,O. 1-3.5 ;余量为铁，其重量之和为100%。(4)待钻杆接头自然冷却到室温，进行表面清理、检查。该钻杆接头表面具有一层激光熔覆的耐磨耐蚀铁基合金涂层，成型良好，组织致密，成分均匀，且无裂纹，其厚度为1mm，只在接头圆柱体的两端易磨带各熔覆40mm宽。熔覆后钻杆接头的硬度可达55HRC。尽管参照实施例对所公开的一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆钻杆接头进行了特别的描述，以上描述实施例是说明性的，不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在干，该钻杆接头表面具有一层激光熔覆耐磨耐蚀铁基合金涂层，成型良好，组织致密，成分均匀，且无裂纹，其厚度可以在O. 3-1. 5mm范围内精确控制。
2.根据权利要求书I中所述的耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在于，该铁基合金粉末的具体成分按照质量百分含量分别为C，0. 1-1. 5 ；Cr, 10-30 ；Ni,1-10 ;Μη，0· 2-3. O ;Μο，0· 1-3. O ；Si, I. 0-2. 5 ;Β，0· 1-3. 5 ;余量为铁，其重量之和为 100%。
3.根据权利要求书I中所述的耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在于，所述激光熔覆层硬度为53 58HRC。
4.根据权利要求书I中所述的耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在于，所述的激光熔覆铁基合金涂层与基体为冶金结合，其结合强度不低于基材的90%。
5.根据权利要求书I中所述的耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在于，激光熔覆エ艺參数为激光功率O. 5 5kW，扫描速度100 400mm/min，搭接率20 30%。
6.根据权利要求书I中所述的耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，其特征在干，熔覆层不用完全覆盖整个钻杆接头的表面，只需在接头圆柱体的两端易磨带各熔覆30 50mm宽即可。
全文摘要
本发明涉及一种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头，该钻杆接头表面具有一层激光熔覆耐磨耐蚀铁基合金涂层，成型良好，组织致密，成分均匀，无裂纹，其厚度可以在0.3-1.5mm范围内精确控制。熔覆层不用完全覆盖整个钻杆接头的表面，只需在接头圆柱体的两端易磨带各熔覆30-50mm宽即可。其中铁基合金粉末的成分按照质量百分含量分别为C，0.1-1.5；Cr，10-30；Ni，1-10；Mn，0.2-3.0；Mo，0.1-3.0；Si，1.0-2.5；B，0.1-3.5；余量为铁，其重量之和为100％。这种耐磨耐蚀铁基合金激光熔覆石油钻杆接头的出现，不仅解决了油田中钻杆接头失效过快的问题，而且其制造加工工艺容易实现自动化，工作效率高，在经济方面有很大的优势，具有广阔的推广前景。
文档编号E21B17/02GK102619477SQ20111003574
公开日2012年8月1日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者孙建波, 李美艳, 王勇, 董立先, 韩彬, 高宁 申请人:中国石油大学(华东)