張勇

（中石化江鉆石油機(jī)械有限公司，湖北 武漢 430200）

近些年，我國(guó)深海工程不斷加快開(kāi)發(fā)的步伐，油氣勘探也逐漸延伸到具有更為復(fù)雜物理環(huán)境與地質(zhì)條件的區(qū)域，很多具有較高二氧化碳、硫化氫含量的區(qū)域是近些年油氣勘探的重中之重，由此也增加了對(duì)深海所用強(qiáng)度較高材料的應(yīng)用需求。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外鉆井領(lǐng)域關(guān)于腐蝕的研究大多在硫化氫、二氧化碳防護(hù)和腐蝕等方面集中，防腐蝕方法包括控制鉆井液、選材、電化學(xué)保護(hù)以及防腐層等，但是這些方法均存在不足與缺陷。因?yàn)槭軕?yīng)力腐蝕破裂影響與威脅，深海探測(cè)必須選擇高強(qiáng)度材料以滿足深海工程需求，所以通常會(huì)應(yīng)用鈦合金。然而，鈦合金應(yīng)用成本較高，且資源有限，因此不可能對(duì)鈦合金進(jìn)行大量采用。

鎳基球形鑄造碳化鎢復(fù)合涂層本身存在耐磨性、高強(qiáng)度等特性，再加上該涂層能夠有效抵御硫化氫、鉻等物質(zhì)，所以鎳基球形鑄造碳化鎢復(fù)合涂層可能是比較理想的減震器、穩(wěn)定器、鉆具以及震擊器等石油鉆采表面防護(hù)涂層。選擇鎳基球形鑄造碳化鎢硬面，能夠使鉆具耐磨耐蝕性能得到很大程度的提升，對(duì)深海石油鉆采極具科技意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值?，F(xiàn)階段也有一系列技術(shù)性問(wèn)題，具有優(yōu)越性能的球形鑄造碳化鎢還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。基于此，本研究選擇感應(yīng)等離子體工藝對(duì)球形碳化鎢粉進(jìn)行了研制，混合鎳合金粉后研制成球形鎳基碳化鎢粉，確保其能夠有效應(yīng)用于深海石油鉆采工作中。

1 球形碳化鎢粉的研制與特性

（1）研制球形碳化鎢粉。選擇感應(yīng)等離子球化工藝，原料為45～150μm粒度的鑄造碳化鎢粉，以氫氣與鉻氣為等離子氣源，感應(yīng)等離子體球化設(shè)備參數(shù)包括送粉功率、速率、流量氫氣以及鉻，其參數(shù)值為：功率可調(diào)范圍50～60kW，送粉速率可調(diào)范圍145～213g·min-1，鉻氣流量可調(diào)范圍70～90L·min-1，,氫氣流量可調(diào)范圍L·min-1。

（2）球形碳化鎢粉的特性。該研究對(duì)粒徑分布檢測(cè)的儀器為激光粒度分析儀，選擇霍爾流速與松裝比對(duì)粉體流動(dòng)速度進(jìn)行表征，控制粒度范圍為45～425μm，表1為其具體性能指標(biāo)。

表1 球形碳化鎢粉性能指標(biāo)

2 鎳基球形碳化鎢堆焊層的性能及制備

采用等離子體轉(zhuǎn)移弧堆對(duì)耐磨耐蝕涂層進(jìn)行制備，這一涂層的性能主要為耐酸、防銹、耐熱以及抗磨損等。因?yàn)橥繉觾?nèi)具有較高碳化鎢含量，有助于機(jī)械零件耐蝕性與耐磨性的提升，所以在深海石油鉆采中的應(yīng)用前景極為廣闊。

（1）鎳基球形碳化鎢粉的性能指標(biāo)。融合采用感應(yīng)等離子球化所研制的碳化鎢粉和采用氣霧化法所研制的球化鎳合金粉，并將其研制為涂層，其成分主要為Ni(40%)、WC(60%)，圖1為鎳基球形碳化鎢粉混合后微觀形貌。

（2）制備鎳基球形碳化鎢堆焊層。本研究為檢驗(yàn)采用感應(yīng)等離子球化工藝所研制的碳化鎢堆焊層所表現(xiàn)出的硬化作用，選擇等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊工藝技術(shù)，在不銹鋼薄板基底制備鎳基球形碳化鎢涂層，表2為堆焊工藝參數(shù)，圖2為基底和堆焊層結(jié)合面形貌。

圖1 鎳基球形碳化鎢粉混合后微觀形貌

表2 堆焊工藝參數(shù)

圖2 基底金屬和堆焊層結(jié)合面形貌

（3）鎳基球形碳化鎢堆焊層硬度分析。自堆焊層熔合線至堆焊層表面區(qū)域內(nèi)，堆焊層洛氏硬度會(huì)因?yàn)榫嚯x熔合線間距的拉長(zhǎng)而隨之下降，而且近熔合線區(qū)域具有較高硬度值，該情況和碳化物分解形成的沉淀具有直接相關(guān)性。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)深度大約為3．57mm。

（4）鎳基球形碳化鎢堆焊層耐磨性分析。選擇德國(guó)布魯克公司所研發(fā)的綜合摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)驗(yàn)堆焊涂層的摩擦磨損性能，該實(shí)驗(yàn)所選載荷為15kg，磨損時(shí)間是2h，完成摩擦磨損實(shí)驗(yàn)之后，選擇ContourGT儀器觀測(cè)磨損表面，以對(duì)涂層體積磨損率進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)值為 0．4033×10-6mm3·N-1·m-1，具有非常低的體積磨損率，而且也具有較強(qiáng)的耐磨性能。所以，采用等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊所形成的鎳基球形碳化鎢堆焊層能夠?qū)Σ牧匣剡M(jìn)行有效保護(hù)，而且也具有明顯的材料表面硬化作用。

3 表面硬化材料的實(shí)際應(yīng)用

采用感應(yīng)等離子體球化法所研制而成的球形碳化鎢粉，能夠和采用水霧化方式所制備的球化鎳合金粉末相結(jié)合，并在兩者混合之后形成鎳基球形碳化鎢粉，其中的碳化鎢含量范圍為50%～60%。這種鎳基球形碳化鎢粉的主要特點(diǎn)為硬度高、熔點(diǎn)高，其硬質(zhì)相主要是球形碳化鎢粉，粘結(jié)相主要是熔化狀態(tài)下的鎳，采用等離子轉(zhuǎn)化弧堆焊等相關(guān)工藝研制形成表面涂層，能夠在很大程度上提升機(jī)械零部件的表面硬度，使其耐磨性得到不斷提升，從而使零部件使用壽命得到明顯提升。這一產(chǎn)品替代進(jìn)口粉能夠在海洋裝備領(lǐng)域得到有效應(yīng)用，有助于提升海洋裝備重要部位耐腐蝕性能。目前很多石油鉆采企業(yè)先后選擇等離子體轉(zhuǎn)移弧堆焊工藝實(shí)現(xiàn)了鉆采作業(yè)期間扶正器的表面硬化，中海石油對(duì)這一產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)，且使用效果優(yōu)良。利用這一產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)表面硬化，便于維護(hù)扶正器，而且能夠延長(zhǎng)其使用壽命，一方面使HF穩(wěn)定器應(yīng)用范圍得到不斷拓展，另一方面又對(duì)我國(guó)鉆井扶正器中的技術(shù)空白進(jìn)行了填補(bǔ)，其使用價(jià)值非常高。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，球形碳化鎢粉屬于高新材料，在超硬耐磨耐蝕涂層中能夠得到有效應(yīng)用，因?yàn)榍蛐翁蓟u粉制備技術(shù)使用性能優(yōu)越，而且極具獨(dú)特性，所以目前已經(jīng)備受國(guó)內(nèi)外石油鉆采市場(chǎng)的高度關(guān)注。而且球形碳化鎢粉具有較高熔點(diǎn)與較高硬度，其硬質(zhì)相為球形碳化鎢粉顆粒，其粘結(jié)相為熔化狀態(tài)下的鎳，可使機(jī)械零件耐蝕性與耐磨性得到很大程度的提升，使零部件使用壽命得到延長(zhǎng)，在海洋裝備、深海石油鉆采、工程機(jī)械、地質(zhì)遺跡礦山等領(lǐng)域中的應(yīng)用前景廣闊。

[3]周云,易強(qiáng),王莉萍等．深海石油鉆采隔水管浮力材料的制備及其強(qiáng)度分析[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,(7):19-24．