[发明专利]一种牙轮钻头齿面的激光表面熔覆处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及牙轮钻表面强化工艺领域，具体为一种牙轮钻头齿面的激光表面熔覆处理工艺。

背景技术

随着人们对能源利用需求的不断增长，我国对油气资源的勘探和开发也在不断发展，这使得人们对钻井设备的钻探性能提出了更高的要求。牙轮钻是钻井的主要破岩工具，在高钻压下与坚硬的岩石之间产生压碎、滑动剪切作用并伴有巨大的冲击以及含岩屑泥浆的强烈冲刷，这对牙轮钻头材料提出了严峻的挑战。由于牙轮钻服役环境为碎石的巨大冲击和含岩泥浆的强烈冲刷，因此，制造牙轮钻头的材料需具备高硬度、高耐磨性等机械性能。

目前，有数种工艺方法用于牙轮钻头的耐磨强化处理。国外研究者在牙轮钻头材质选择及强化工艺上进行了一些研究，甚至早在上个世纪80年代便开发出新型钻头作为牙轮钻的替代品，但是由于新型钻头适用岩层条件较牙轮钻苛刻且制造成本大大超过了牙轮钻，牙轮钻头制造及其表面耐磨强化工艺研究仍然具有现实意义。比较有效的牙轮钻头强化方法有金刚石（硬质合金）增强复合方法以及堆焊法。凿岩球齿合金最早应用于矿用牙轮钻头，而目前商业化的球齿均为金刚石和硬质合金材料。金刚石硬度非常高、综合耐磨损性能好而在高硬岩石钻齿上发挥了不可替代的作用，然而金刚石球齿制备工艺复杂、成本高，且强度低、冲击韧性小，这些不利因素限制了其应用。硬质合金强度和硬度高、红硬性好、耐磨性好、热膨胀系数小、化学稳定性好，且和金刚石比，硬质合金成本低很多，目前在钻齿上的使用量也很大，但是和金刚石材料相比，硬质合金材料硬度低很多，综合性能远不及金刚石，且硬质合金中含有包活W、Co、Ta等战略金属，大量使用硬质合金制造牙轮钻会加重资源、环境的紧张局面，限制了硬质合金的进一步发展。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种牙轮钻头齿面的激光表面熔覆处理工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种牙轮钻头齿面的激光表面熔覆处理工艺，包括如下步骤：

(1) 室温下用清洗剂对牙轮钻头齿面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；

(2) 用着色探伤法对牙轮钻头齿面进行检验，确保待加工部位无裂纹、气孔、夹杂等缺陷； 

(3) 选用镍基合金粉末作为牙轮钻头齿面的打底层，调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1.5-2mm；

(4)选用高功率CO2激光器，以数控机床为工作台，用有机玻璃烧斑法选取最佳的激光模式，然后利用高功率CO2激光成套设备熔覆打底合金；

具体工艺参数如下：

聚焦镜f = 300～400mm

熔覆功率P=3000～5000W

光斑直径D=2-3mm

熔覆扫描速度V=600～1200mm/min

搭接率40~60%

(5)选用球形WC与Ni-Cr-B-Si自熔合金混合合金粉末作为牙轮钻头齿面的工作层，调节送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1.5-2mm；

(6)对打底层表面的工作层进行熔覆，高功率激光器熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合粉末采用两种加工方式：

1) 窄带熔覆加工

采用送粉方式喂入合金粉末，在打底层表面熔覆球形WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末；

具体工艺参数如下：

熔覆功率P=2500W~3000W

光斑直径D=1.2~3mm

熔覆扫描速度V=150~250mm/min

搭接率40~60%

2) 宽带熔覆加工

采用送粉方式喂入合金粉末，在打底层表面熔覆WC与Ni-Cr-B-Si混合合金粉末；

具体工艺参数如下：

熔覆功率P=5000~7000W

光斑大小长×宽=10×1mm

熔覆扫描速度V=300~500mm/min

搭接率40~60%

(7) 熔覆后进行探伤检验，确保加工部位表面平整，无肉眼可见裂纹和气孔等。

步骤(3)中，所述镍基合金粉末包括Fe、C、Si、Cr、Ni、Mo、Nb，其化学成份按重量百分比分别为：C：0.03%、Cr：21.5%、Fe：1.4%、Mo：9%、Si：0.4%、Nb：3.8%，余量为Ni。