牙轮钻头金属密封环表面激光熔覆合金涂层的性能

牙轮钻头金属密封环表面激光熔覆合金涂层的性能

于继彬

于继彬（胜利油田黄河钻井总公司伊朗项目部，东营257064）

摘要：金属密封环的密封稳定性直接影响到牙轮钻头的使用寿命，利用激光熔覆技术在牙轮钻头金属密封环材料20CrNiMo合金钢表面熔覆合金涂层，达到提高其表面耐磨性能的目的，从而提高牙轮钻头的寿命。分析了激光熔覆层的微观组织，测试了激光熔覆层的微观显微硬度及摩擦磨损性能。结果表明：高度弥散的金属间化合物、纳米晶与有较高韧性的非晶相夹杂的复合组织提高了涂层的力学性能，试样表面硬度、抗磨损性能大幅提高。

关键词：牙轮钻头；激光熔覆；微观组织；显微硬度；耐磨性能

中图分类号：TE921TG156.99文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）08-0188-02

0引言

从上个世纪初，美国人HowardHughes发明两牙轮钻头算起，牙轮钻头已经有了100多年的使用历史了。美国四大油气钻井用牙轮钻头生产厂家(BakerHughesChristensen、SmithBits、ReedHycalog、SecurityDBS)在世界一直居于世界领先水平，他们一直以来都重视对牙轮钻头轴承系统的应用基础的研究，面对当今世界油气钻井作业对牙轮钻头向高转速发展的要求的大趋势，近些年来纷纷推出了各自的高转速滚动轴承牙轮钻头，并迅速占领国际市场[1－2]。我国的牙轮钻头生产从开始的仿制到现在也取得了较大的发展，但生产水平仍与发达国家有较大差距。通过对油气钻井现场大量失效滚动轴承牙轮钻头的解剖分析表明，引起滚动轴承系统的失效的原因主要是：第一是密封结构的失效，导致轴承本体过度磨损随即失效；第二是密封结构完好时轴承本体的接触疲劳引起的失效[3]。由此可知，要防止轴承失效必须提高牙轮转头金属密封的稳定性。

激光熔覆技术是目前新兴的表面改性方法，它通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束快速加热，使熔覆材料和基底材料表层发生熔化，并通过基底的激冷作用实现快速凝固，从而形成与基底冶金结合且稀释率极低的表面涂层，具有较高的表面性能[4]。本文是利用激光熔覆技术，在牙轮钻头金属密封环用钢20CrNiMo表面熔覆合金涂层，提高其表面耐磨，并增加其使用寿命。

1实验材料和方法

1.1激光熔覆实验基体材料为20CrNiMo合金钢，熔覆材料选用铁基合金粉末，粒度范围为80～100um，其化学成分主要为：Fe、Cr、Ni、B、Si、C。采用预置粉末，利用TJ-HL-5000型大型工业用CO2激光器进行宽带熔覆。熔覆时连续CO2激光功率3KW，光斑尺寸为3mm，焦距300mm，扫描速度3mm/s，预置粉末厚度约为1mm，所形成的熔覆层厚度约为0.6～0.8mm。

1.2检测方法熔覆后使用金相切割机切开试样，对其进行打磨，并在金相抛光机上进行抛光。抛光后，立即用无水乙醇清洗并用吹风机吹干，在HV-1000显微硬度计下测量其硬度，载荷砝码200g,加载时间20s；然后用自配溶液进行腐蚀，在OlympusGX51型金相显微镜下观测其显微组织；由于涂层厚度较薄、硬度较高，很难制成标准的金属薄膜样品，采用颗粒试样制备法，将涂层制成粒度200～300nm粉末，将粉末加入酒精，振荡分散，取溶液至电镜铜网蒸发，得到颗粒试样。利用JEM－2000FXⅡ分析型透射电子显微镜（加速电压180KV，放大倍数1万－5万）对激光熔覆组织进行微观组织结构观察与合金元素成份测定；利用MMS-2A屏显式摩擦磨损试验机，对滚试样（下试样）材料为GCr15，磨损时间120min，正压力为294N，转速400r/min，磨损量以磨损后的质量损失表示，测试激光熔覆层的磨擦磨损性能。

2实验结果及分析

2.1激光熔覆层微观组织

20CrNiMo合金钢表面激光熔覆铁基合金粉末结合界面形貌。激光熔覆层主要由熔覆区、结合区和基材热影响区三个部分组成。结合区为白亮组织，在靠近结合区的熔覆层底部为胞状晶和柱状晶，在熔覆层中部一般为细小的树枝晶，靠近表层为细小等轴晶。

激光熔覆区显微组织，可见，熔覆区的组织是在20CrNiMo合金钢表面上分布着形状不规则的颗粒和细小的树枝晶，熔覆区微观组织均匀致密以及存在着白亮点弥散分布。

2.2分析所选涂层颗粒电子衍射花样为在非晶漫散射环上分布有一系列小的多晶衍射斑点，由于晶粒细小取向各异，所以多晶衍射斑点比较弥散，标定为α－Fe固溶体相。涂层颗粒的能谱分析，根据元素的分布，可以看出涂层中除了基体相α-Fe还存在金属间化合物Ni-Cr-Fe、Fe-Cr、Fe-Ni等相及非晶合金。可见，涂层组织中金属间化合物其形状、大小各异，并与非晶相相间分布，纳米晶分布于金属间化合物中。涂层复杂结构的形成意味着激光熔覆时凝固行为的复杂性，它不仅受控于涂层材料和基材的熔化与传质特性，而且也与其晶体学特征有很大关系。当激光扫过涂覆粉末时，熔融合金内部将以对流传质为主进行元素的扩散与重组，而在微区也存在少量活性元素的短程扩散。对流传质保证了熔融合金成分的均匀性，在一些粘滞性较大区域，成分满足非晶成分，晶体成核也较为困难，部分区域将形成非晶区，也就是弥散分布的白亮点。这种高度弥散的金属间化合物、纳米晶与有较高韧性的非晶相夹杂的复合组织提高了涂层的力学性能。

2.3激光熔覆层具有很高的硬度由图1沿深度变化的激光熔覆层显微硬度分布，经过测量结合区附近不同区域的显微硬度HV值可知，从基体一结合区一熔覆区的显微硬度呈梯度分布，激光熔覆层及过度区域硬度值较基体显著提高。这是由于涂层中含有高度弥散的金属间化合物、纳米晶与有较高韧性的非晶相夹杂的复合组织提高了涂层的力学性能，造成硬度大幅度提高。

2.4激光熔覆层具有良好的耐磨性能

熔覆层具有较高的硬度及熔覆层硬度分布特征和高度弥散的金属间化合物、纳米晶与有较高韧性的非晶相夹杂的复合组织保证了熔覆层组织具有较高的耐磨性。热处理试样磨损状况已经较为严重，破坏形式有犁沟和粘合两种形式，试样表面出现严重粘着脱落现象，试样表面大面积受到损坏；但是，激光熔覆试样表面以犁沟破坏为主，粘着磨损脱落虽然也已经出现，但情况不太严重。

3结论

3.1Fe基激光熔覆层由熔覆区、结合区和基底热影响区三个区组成，结合区为白亮组织，在靠近结合区的熔覆层底部为胞状晶和柱状晶，在熔覆层中部一般为细小的树枝晶，靠近表层为细小等轴晶。

3.2涂层组织为高度弥散的金属间化合物、纳米晶与有较高韧性的非晶相夹杂的复合组织，益于提高涂层的力学性能。

3.3激光熔覆层的显微硬度、耐磨性显著提高。

参考文献：

[1]罗纬，国洪领．高速牙轮钻头金属浮动密封的实验研究[J]．石油机械，1991，19(10)：23-30．

[2]曾建谋，聂郁来，陈鹏等．粉末热锻浮动油封密封环的耐磨性研究[J]．润滑与密封，2005，(3)：l18-120．

[3]AlainBesson，BruceBurr，ScottDillard，eta1．Onthecuttingedge[J]．OilfieldReview，2000，12(3)：36-57．

[4]张永康.激光加工技术[M].北京:化学工业出版社,2004.