一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将钛合金基体表面进行喷砂处理；(2)选定特定粒度的WC陶瓷粉末与纯Ti粉末，配制高低两种水平WC含量的混合粉末并干燥。(3)通过高压冷喷涂工艺依次对低WC含量、高WC含量的混合粉末进行喷涂，使其在预处理的基体表面沉积，形成厚的高耐磨梯度复合涂层。本发明专利技术实现了钛合金表面梯度涂层结构的制备，基体及梯度涂层各层间相互嵌入，紧密结合，同时实现了表面的高硬度高耐磨，提供了一种经济有效的钛合金钻杆耐磨防护技术。防护技术。防护技术。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于钻探工程
，具体涉及一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着钻探技术的发展以及超深井、短半径井和大位移井数量的增多，传统常规钢钻杆自重过大、强度不足，已不能满足苛刻服役条件下的作业需求。新型钛合金钻杆具有比强度高、无磁性、耐腐蚀、抗疲劳性能等优点，被应用于腐蚀性油气开发中，其低弹性模量尤其适用于超短半径水平井的柔韧性需求。然而钛合金钻杆表面硬度低，耐磨性差，钻进过程中钻杆接头与套管摩擦碰撞，易发生粘着磨损，降低使用寿命，提高应用成本，严重制约钛合金钻杆的应用推广。
[0003]传统钢制钻杆多采用Fe基药芯焊丝，制备环形堆焊耐磨带将钻杆接头与套管隔离。而钛合金导热系数小，易氧化，与钢材料性能差异大，导致成形质量与结合性均较差，常规钢制钻杆的耐磨带焊接技术实难匹配。目前国内外钛合金表面处理工艺主要有渗氮/碳处理、化学沉积、激光表面强化、表面氧化处理等。此类技术能够有效实现钛合金表面的局部增强，但针对钻杆接头厚耐磨带涂层的制备，这些技术中仍存在沉积效率低、涂层增厚成本高、结合强度低、存在有害相变与氧化、高残余拉应力等问题。因此，探索一种经济有效的厚耐磨带涂层制备技术势在必行。

技术实现思路

[0004]为克服上述现有技术的缺点，本专利技术提供了一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层及其制备方法。具体为按一定比例配置特定粒度的WC陶瓷与Ti的混合粉末，采用冷喷涂技术，控制气体温度、气体压力、喷涂距离等工艺参数，在钛合金表面沉积梯度复合涂层结构，实现2
‑
5mm厚高致密高结合耐磨带的制备。所述粉末为破碎法制造的多角形纯Ti粉末(粒径为100～400目)与多角形WC陶瓷粉末(粒径为100～300目)。
[0005]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]一种钛合金钻杆用耐磨梯度涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)按照体积分数占比计算，取30～60％、60～80％WC陶瓷粉末，余量为Ti粉末，均匀混合后进行烘干；
[0007](2)将钛合金基体材料表面进行喷砂预处理，使基体表面去除氧化膜、杂质，并获得足够的表面粗糙度；
[0008](3)利用高压冷喷涂技术将混合粉末将两种混合粉末按照陶瓷占比从低到高依次沉积在步骤(2)处理后的钛合金基体表面,得到2
‑
5mm厚度的耐磨梯度涂层。
[0009]所述的制备方法，所述WC陶瓷粉末为粒径100
‑
300目的多角形WC粉末，所述纯Ti粉末为粒径100
‑
400目的多角形Ti粉末。
[0010]所述的制备方法，步骤(1)中，烘干温度80℃，保温2h。
[0011]所述的制备方法，步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数如下：气体温度：400～600℃，气
体压力2～4MPa，喷涂距离：25～45mm，机械臂移动速度为50～100mm/s。
[0012]所述的制备方法，步骤(3)中，载气工作温度为600℃，气体压力为3MPa；设置送粉器的送粉速度2rpm，送粉气流量设置为200L/min。
[0013]根据任一所述制备方法制备的钛合金钻杆用耐磨梯度涂层。
[0014]有益效果
[0015]本专利技术提出了一种陶瓷增强梯度复合耐磨涂层结构及其制备方法。不同陶瓷配比的梯度复合涂层设计实现了表面高硬度高耐磨性能需求，摩擦磨损测试试验表明，WC
‑
Ti梯度复合涂层表面的磨损率(约2.09
×
10
‑8mm3/Nm)远低于同测试条件下基体的磨损率(约3.46
×
10
‑5mm3/Nm)，具有优异的耐磨性。
[0016]同时本专利技术所设计的梯度涂层结构，避免了由于陶瓷与基体之间的性能差异较大而导致的不良结合问题。基体及涂层的各层之间相互嵌入，实现了紧密结合。有效保障了涂层整体的使用安全性和寿命。
[0017]相较于现有耐磨带涂层制备技术，本专利技术采用高压冷喷涂技术，通过利用冷喷涂技术效率高、结合良好、残余应力为压应力、突破厚度尺寸限制等突出特点，结合梯度涂层设计理念，提出了一种实用性高、操作简单、经济成本低的新型钛合金钻杆接头表面厚耐磨带结构的快速制备工艺。
附图说明
[0018]图1：本专利技术提供的冷喷涂WC
‑
Ti梯度复合涂层的截面SEM图像；
具体实施方式
[0019]以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。
[0020]实施例1，本专利技术提供的钛合金表面耐磨涂层制备主要包括以下步骤：
[0021]本专利技术以TC4为基体(成分见表1)，金属基陶瓷粉末选用WC/Ti混合粉末，对基体与粉末进行预处理，其具体包括：
[0022]将WC陶瓷分别按照体积占比40％和80％，纯Ti为余量均匀混合。所述纯Ti粉末平均粒径为20μm，WC陶瓷粉末平均粒径为33μm；将混合粉末置于一般空气炉内升温至80℃，保温2h，冷却到常温以后再过筛一次，保证其流动性。
[0023]对长度为100mm，宽度为50mm的TC4钛合金基板进行喷砂处理，去除基体外表面剥落层、污染物、氧化层、疲劳层和划痕至裸露金属表面，使基体表面粗糙有利于形成良好的结合。
[0024]表1TC4基板成分表(wt.％)
[0025][0026]将预处理后的混合粉末置于送粉器中，设置送粉器的送粉速度2rpm，送粉气流量为200L/min；
[0027]将预处理后的TC4钛合金基板固定在竖直的机械手臂上，将冷喷涂喷枪与基板表面垂直，调整喷涂距离为25mm。
[0028]设定机械手带动基体的运动扫描区域、扫描路径、扫描速度，其中扫描速度为50mm/s。通过加热器调节步骤A中混合粉末的预热温度，通过与高压氮气瓶相连的减压阀调节预热与喷涂两个阶段的气压。在TC4基体表面与第一次沉积涂层的表面依次进行冷喷涂，最终形成如图1所示的WC
‑
Ti梯度复合涂层。
[0029]冷喷涂工艺参数为：气体温度为600℃，气体压力为3MPa，获得的涂层厚度达到2.5mm，硬度可达400HV0.3。
[0030]对所制备的涂层与TC4钛合金基体进行干摩擦磨损试验。采用往复摩擦试验机对样品进行3次测试，均值计算结果如表2。
[0031]表2摩擦磨损试验结果
[0032][0033]本专利技术的具体特点如下：
[0034](1)本专利技术所制备的梯度涂层的表面成形质量良好，厚度均匀，基体及涂层的各层之间相互嵌入，实现了紧密结合，且冷喷涂工艺简单，沉积效率高。
[0035](2)获得的梯度涂层的表面硬度可达到480HV，与TC4基体硬度(约320HV)相比，提高了50％。
[0036](3)梯度材料的设计不仅有利于厚耐磨带(>2mm)的制备，且能够在表面实现高耐磨的目标。本专利技术实施例1的测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金钻杆用厚耐磨梯度涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照体积分数占比计算，取30～60％、60～80％WC陶瓷粉末，余量为Ti粉末，均匀混合后进行烘干；(2)将钛合金基体材料表面进行喷砂预处理，使基体表面去除氧化膜、杂质，并获得足够的表面粗糙度；(3)利用高压冷喷涂技术将两种混合粉末按照陶瓷占比从低到高依次沉积在步骤(2)处理后的钛合金基体表面,得到2
‑
5mm厚度的耐磨梯度涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述WC陶瓷粉末为粒径100
‑
300目的多角形WC粉末，所述纯Ti粉末为粒径100
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐雅欣，葛洁洁，李文亚，杨夏炜，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：