[發明專利]一種鎳基球狀碳化鎢耐磨耐蝕涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201310152028.2
• 申請日: 2013-04-27
• 公開（公告）號: CN103205749A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 尹衍升;董麗華;劉伯洋;黃雨舟;王東勝;范春華;李運明;劉紅斌
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 賈慧琴

技術領域

本發明涉及一種涂層及其制備方法，具體地，涉及一種鎳基球狀碳化鎢耐磨耐蝕涂層及其制備方法。

背景技術

由于鉆井技術的不斷進步和勘探開發的需要，深井、超深井、大斜度井以及水平井大量出現，采油工具的摩擦扭矩和摩擦阻力都顯著增大，這些惡劣的工況條件要求工件表面必須具備較高的耐磨損性能。在腐蝕方面，近幾十年來，含硫化氫腐蝕、二氧化碳介質的油氣田相繼出現，對套管以及其它井下設備的腐蝕問題越來越引起人們的關注。硫化氫水溶液不僅對鋼材產生化學腐蝕，而且在電化學腐蝕過程中生成能夠被鋼鐵吸收的氫原子，破壞其材料結構的連續性，從而導致氫損傷，通常表現為硫化物應力開裂、氫誘發裂紋和氫鼓泡等形式的破壞。另外，二氧化碳溶入水后形成碳酸，釋放出氫離子。氫離子是強去極化劑，極易奪取電子還原，促進金屬溶解而導致腐蝕，進而引起的材料破壞，降低材料使用壽命。因此，磨損與腐蝕的綜合作用，不僅給油氣田的開發、生產造成巨大的經濟損失，同時也造成了環境污染，并威脅著人身安全。

為了保證設備的長期安全運轉，合理的材料選擇與制備是最重要的一環。一些工件在工作面采用鑲嵌硬質合金塊的方式來提高耐磨性能，進而顯著提高使用壽命，如對鉆柱起著扶正和支點作用的穩定器。但也存在不足：（1）現場使用發現硬質合金塊脫落現象十分嚴重。這種現象不僅造成穩定器壽命縮短，更嚴重的是，脫落的硬質合金塊掉入井內后，增大鉆頭磨損速度，降低鉆頭壽命與鉆井速度，最終導致鉆井成本增加。（2）鋼材基體被磨成溝槽。硬質合金塊與基體材料在硬度上出現顯著差異，硬質合金塊實測硬度大于HRC60，而基體材料硬度為HRC30~37，因此基體材料出現較大磨損。部分基體材料已磨出較深溝槽，導致合金塊的脫落和折斷。（3）鋼材基體在硫化氫與二氧化碳介質中存在腐蝕，更容易出現磨損，造成合金塊脫落失效。

表面涂層技術是解決上述問題的一種簡便、有效的方法。涂層不但能夠大幅度地提高工件表面的使用性能，還可以對失效工件進行修復，節省材料和能源。激光熔敷與等離子轉移弧堆焊是兩種常用的涂層制備手段，它們的優點是能量密度大，加熱集中，熔透能力強，可以高速制備涂層，生產率高。其對基體的熱影響小，稀釋率低，使得工件在制備過程中變形小，工藝可控性強。而且獲得涂層的組織致密，微觀缺陷少，涂層與基體為冶金結合，強度高。涂層原料多為鎳基碳化鎢合金粉，其中碳化鎢為硬質相，起耐磨作用，鎳合金為粘結相，起粘結碳化鎢的作用。涂層具有耐高溫、抗熱裂、耐沖擊、耐磨損、耐腐蝕等優異性能。

目前國內已有關于鎳基碳化鎢涂層的一些專利。例如：中國專利92108749.7提到使用500~1200μm的燒結碳化鎢作為硬質相，Ni基合金等做為粘結相，激光作為熱源制備涂層。中國專利200710069010.0使用0.1~20μm的介孔空心碳化鎢球與吸光劑碳素墨水混合，在基體表面激光熔覆制備涂層。通過基體表面加熱熔化，將碳化鎢粘結在基體表面，因此厚度有限，而且碳素墨水的殘留可能使涂層出現氣孔、裂紋等缺陷。中國專利201210047014.X采用球形碳化鎢與一定成分的鎢合金，通過激光熔覆的方法制備涂層，涂層厚度為1~1.5mm。中國專利201010157959.8采用直徑為50~150μm、含量為5~50%的球形鑄造碳化鎢與鎳基自熔性粉末，通過激光熔覆的方法制備了涂層。類似的，中國專利200780049890.3采用球形碳化鎢與合金，通過堆焊的方式制備涂層。

以上專利中，對原料中硬質相、粘結相的一些基本性能都缺乏詳細的描述。而且，激光熔覆方法都是事先將鎳基碳化鎢合金粉涂覆于金屬基體表面，然后再通過激光加熱來獲得涂層，但預置涂層的厚度與質量一般難以精確控制，進而會影響熔覆后涂層質量。涂層中碳化鎢硬質相含量都低于50%，耐磨性能沒有實現最優化。

因此，性能更好、質量更高、壽命更長的涂層則需要原料與工藝的精確設計。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于提高設備耐磨耐蝕性能的鎳基球狀碳化鎢涂層，性能優良、先進實用，克服鉆采工具材料表面涂層性能差與使用壽命短的不足。?