毕业设计论文等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层在石油钻杆接头上的应用.doc

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1、长 春 工 业 大 学毕 业 论 文 题 目：等离子喷焊铁基自熔合金耐磨层 在石油钻杆接头上的应用学 院：材料科学与工程学院专 业：材料成型及控制工程班 级：姓 名： 指导教师： 2011 年 6 月 02 日长春工业大学本科毕业论文摘 要石油钻杆接头是在石油勘探开采钻井时，用于连接上、下钻杆的重要部件，由于其长期工作在含砂多，且有一定腐蚀性介质的井下，所以要求其具有优良的耐磨、耐蚀性能。为了改善其耐磨、耐蚀性能，提高其使用寿命，目前国内许多企业采用粉末等离子喷焊的方法在其接头部位喷焊一层耐磨带。虽然钴基、镍基粉末耐磨、耐蚀性较好，但价格昂贵，成本太高。本课题旨在研制一种适用于石油钻杆接头耐磨

2、带的铁基合金粉末材料，来降低生产成本。本课题设计了适合于石油钻杆接头耐磨带的铁基合金粉末的成分，采用混粉法制备该合金粉末；并采用等离子喷焊的焊接方法在低碳钢基材上进行焊接，确定了最佳喷焊工艺参数；分析和测试了喷焊层的微观组织和结构及耐磨性能。实验结果表明，喷焊层主要由：-Fe、Cr23C6 、(Cr,Fe)7C3以及NiB、莱氏体等化合物相组成。焊层冶金结合较好，组织致密，稀释率低，无裂纹、夹杂等缺陷。同时拥有较高的硬度（5559HRC）和耐磨性，具有较大的应用价值。关键词：铁基合金粉末、等离子喷焊、石油钻杆接头、组织、性能AbstractOil drill pipe joint is the

3、 important component of connecting the upper and lower drill pipes in the oil exploration and exploitation under drilling, because it works in the environment of having more sand and full of certain corrosive media pit in the long-term,so its excellent wear resistance and corrosion resistance are re

4、quired. In order to improve their wear and orrosion resistance, improve their life. At present, many enterprises spray a wear-resistant layer in the joint surface using the method of powder plasma spray.Although cobalt, nickel powder wear and corrosion resistance is better, but expensive, the cost i

5、s too high. The project plans to develop a kind of iron-based alloy powder material for the oil drill pipe joint so as to reduce the production costs.The project designes iron-based alloy powder composition for the oil drill pipe joint.And producting the alloy powder by mechanical alloying.welding i

6、n the low carbon steel substrate by plasma spray welding method.Adjusting the optimum spray parameters.Analysis and testing the microstructure and wear resistance of the spray layer. The results show that spray coating mainly composed of: -Fe, Cr23C6, (Cr, Fe) 7C3, and NiB, and the ledeburite phase.

7、The metallurgical bonding of spray layer is well ,the organization is dense,the dilution is low,no cracks、inclusions and other defects. At the same time,the spray layer has a higher hardness (55 59HRC) and wear resistance,and with great value.Key words: iron-based alloy powder, plasma spray, oil dri

8、ll pipe joints, microstructure, properties目 录第一章 绪 论11.1 前言11.2热喷焊技术11.2.1 热喷焊技术的原理11.2.2 热喷焊技术的特点11.3等离子喷焊21.3.1等离子喷焊的原理及特点21.3.2影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数31.3.3喷焊用粉末61.3.4等离子喷焊的应用范围71.3.5国内外等离子喷焊备现状及发展趋势91.4 石油钻杆接头121.4.1 石油钻杆接头井下工作环境121.4.2石油钻杆接头的失效形式及使用寿命121.4.3国外对石油钻杆接头的研究现状131.5本课题研究背景及意义13第二章 实验材料、设备及

9、方法142.1 实验材料及设备142.1.1 基体材料142.1.2 喷焊材料142.1.3喷焊设备142.1.4摆动式球磨机152.2铁基合金粉末的研制162.2.1合金粉末成分设计162.2.2合金粉末的制备172.2.3粉末的性能182.3 实验方法192.3.1 喷焊试验方法192.3.2等离子喷焊焊接工艺参数202.3.3喷焊层试样的制备及组织观察202.4喷焊层组织分析及性能测定202.4.1硬度的测定202.4.2喷焊层物相分析212.4.3 耐磨性试验21第三章 喷焊层的微观组织与性能分析223.1喷焊层硬度分析223.1.1 喷焊层的结合强度223.1.2 喷焊层的显微硬度2

10、23.1.3 喷焊层的宏观硬度243.2 焊层的磨损性能253.2.1铁基喷焊层的磨粒磨损机理253.2.2 喷焊层和基体在油润滑下的磨损263.3喷焊层的微观组织分析273.3.1焊层的微观组织特点273.3.2熔合区，热影响区及基体母材区的微观组织特点303.4 喷焊层缺陷分析313.4.1.气孔313.4.2改善措施32第四章 结论33致谢34参考文献3536第一章 绪 论1.1 前言磨损、腐蚀和断裂是机械零部件，工程构件的三大主要破坏形式，它们所导致的经济损失十分巨大，其中由于磨损、腐蚀导致的机件失效与相应的经济损失占非常大的比重。我国对摩擦磨损造成的经济损失进行全面彻底的调查分析，指

11、出：此项损失至少占国民总产值的1.8%。在美国国家材料政策委员会向美国国会提出一份报告中指出：由于摩擦磨损引起的损失，使美国经济每年支付1000亿美元的巨额资金，这项损失中的材料部分约为200亿美元1。众所周知，磨损和腐蚀均是发生于机件表面的材料流失过程，而且其它形式的机件失效有许多是从表面开始，为了解决材料的磨损和腐蚀，需要采取表面防护措施延缓和控制表面的破坏。在解决的同时，促进了表面工程科学与表面技术的形成与发展。表面工程技术是表面处理、表面涂（镀）层及表面改性的总称，表面工程技术围绕腐蚀、摩擦和功能特性（声、光、磁、电的转换等）三大要素，成为20世纪80年代世界十项关键技术之一，将成为2

12、1世纪主导技术之一2。表面工程技术是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基材表面具有不同于基材的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求。该技术不仅用于维修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分，表面工程技术日益受到世界各国的重视，发展了各种用于表面工程的新型工艺技术，包括表面改性技术，表面薄膜制备技术和表面涂层技术3。1.2热喷焊技术 热喷焊主要包括粉末火焰喷焊和等离子弧喷焊，喷焊在范畴上也属于热喷涂，是在喷涂层的基础上，加热保温使涂层与基体形成冶金结合，大致可分为火焰喷焊和等离子弧喷焊两类。火焰喷焊通常是先形成涂层，之后再用火焰加

13、热涂层，又称其为“重熔”处理。而等离子弧喷焊涂层的形成与随后的加热是同时发生的。经喷焊涂层与基体形成的是牢固的冶金结合，对高温下承受热冲击的热模具处理尤为适用。1.2.1 热喷焊技术的原理 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙，这就是热喷焊技术4。1.2.2 热喷焊技术的特点喷焊与喷涂过程不同，合金粉末在基材表面有一个重熔并铺展的过程，因此决定了喷焊的如下几个基本特点5：（1）热喷焊层组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高，这是热喷焊层与热喷涂技术相比的最大优点。热喷焊层与基材为冶金结合，其强度是一般热喷涂层的10倍。特别是热

14、喷焊技术可以涂覆超过几个毫米厚的涂层而不开裂，这是普通热喷涂技术无法达到的。因此热喷焊层可以用于重载零件的表面强化与修复。（2）热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，这主要是因为如下几个原因：第一，喷焊材料在液态下应该能够在基材表面铺展开，即能够润湿基材；第二，喷焊材料必须能够与基材相容，即它们在液相和固相下必须有一定的溶解度，否则无法形成熔合区，亦即无法形成冶金结合；第三，基材的熔点应该高于喷焊材料的熔点，否则容易导致基材塌陷或者工件损坏；第四，热喷焊材料在凝固结晶过程中，应该尽量避免产生热裂纹，或者使基材热影响区产生裂纹。因此，热喷焊工艺只能适合与一些特定的金属材料

15、（包括基材与粉末）。（3）热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多，由于热喷焊时要求粉末完全熔透，因此基材受热时间比较长，表面达到的温度比热喷涂高得多，导致基材的变形较大、热影响区较深等。因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热喷焊技术。 （4）热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别，热喷焊过程中基材表面会少量熔化，并与喷焊材料发生合金化，导致喷焊层的成分与原来设计的喷焊材料成分有差异。一般将基材熔入喷焊层中的质量分数称为喷焊层的稀释率，用公式(1-1)表示为 (1-1) 式中，为喷焊层的稀释率；A为喷焊的金属质量；B为基材熔化的金属质量。显然，稀释率越大，喷焊层的性能与原设计成

16、分偏离越远。因此，必须控制喷焊工艺参数，以便控制喷焊层的稀释率。1.3等离子喷焊1.3.1等离子喷焊的原理及特点等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。等离子喷焊采用的等离子弧与等离子喷涂的有区别。等离子喷涂时，等离子弧建立在喷枪内钨阴极与铜阳极喷嘴之间，工件不带电，称为非转移弧。而等离子喷焊则采用非转移弧和转移弧的联合弧，所谓转移弧是建立在喷焊枪钨阴极头和工件（阳极）之间的等离子弧，它对工件的加热能力比

17、非转移弧强，是喷焊过程中的主要热源，因此称为主弧。在工作时首先引燃非转移弧，然后借助弧在钨的非转移极和工件之间形成的等离子体导电通道，建立转移弧。图1-1等离子喷枪结构图等离子喷焊设备与等离子喷涂设备基本类似，但用单电源同时供应非转移弧和转移弧不太稳定，因此通常采用两台电源分别向非转移弧和转移弧供电。等离子喷焊枪（图1-1）与等离子喷涂枪结构也有所不同，主要区别在于喷嘴中等离子弧通道的长度和直径比（称为压缩比）比较小，通常在11.4之间。这样等离子弧比较柔软，熔池小，稀释率低。等离子喷焊的前、后处理工艺及注意事项与氧-乙炔火焰喷焊相同，只是喷焊过程中需控制的工艺参数更复杂一些，如转移弧电压和电

18、流，非转移弧电流、喷焊速度、送粉量、离子气和送粉气、喷焊枪摆动和幅度，喷嘴距工件距离等。只要经过预先分析和试验，确定最佳工艺参数，就可精确控制喷焊过程，重复性比氧-乙炔火焰喷焊好。等离子喷焊的材料范围比较宽，特别是可以喷焊难熔材料。它所用粉末的粒度与氧-乙炔火焰喷焊的一样，比热喷涂用粉末粒度要稍大一些。与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点如下：（1）生产效率高 因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高，生产率也高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊。（2）稀释率低 为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少，即稀释率低。等离子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，因此可以在保

19、证稀释率低（控制到5%）的同时，保持较高的熔敷率。（3）工艺稳定性好，易实现自动化。（4）喷焊层成分、组织均匀 喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得在0.258mm之间任意厚度的喷焊层6。1.3.2影响等离子喷焊层质量的主要工艺参数等离子喷焊主要的工艺参数有转移弧电压和电流、非转移弧电流、送粉量、离子气和送粉气流量、焊枪摆动频率和幅度、喷嘴与工件之间的距离等7。往往要通过反复试验才能得到对于各种不同基体、不同喷焊层的最佳喷焊工艺，下面仅就选择和确定影响喷焊层性能的主要喷焊工艺参数的某些原则进行讨论。1.3.2.1 转移弧电压和电流 转移弧是等离子喷焊的主要热源，喷焊电流和电压是影响

20、工艺指标最重要的参数。在喷焊过程中，转移弧电压随喷焊电流的增加近似呈线性上升。在焊枪和其他参数确定的情况下，喷焊电流在较大范围内变动时电弧电压变化却不大。虽然喷焊过程中电弧电压变化较小，但电弧电压的基数值却是很重要的，它影响电弧功率的大小。电弧电压的基数值主要取决于喷嘴结构和喷嘴与工件之间的距离。在等离子喷焊过程中，转移弧电流变化主要影响到以下几个方面。工件熔深和喷焊层稀释率 随着喷焊电流的加大，过渡到工件喷焊面的热功率增加，熔池温度升高，热量增加，使工件熔深和稀释率增加。熔敷率和粉末利用率 送粉量确定以后，要使粉末充分熔化，需要足够的热量，因此等离子喷焊的转移弧电流不能低于一定的数值。转移弧

21、电流对粉末熔化状况的影响见表1-2该实验结果表明，转移弧电流小于一定数值时，未熔化的合金粉末飞散多，粉末利用率很低。表1-2 转移弧电流对粉末熔化状况的影响转移弧电流/A粉末熔化及成形情况转移弧电流/A粉末熔化及成形情况120合金粉末严重飞溅，焊道成形很差160210合金粉末充分熔化，焊道成形良好120140合金粉末有飞溅，焊道成形不好210熔深过大，熔池翻泡，焊道成形不好喷焊层质量 转移弧电流过小时，熔池热量不够，工件表面不能很好熔合，粉末熔化不充分，造成未熔透、气孔、夹杂等缺陷，同时焊道宽厚比小、成形差；电流过大时，稀释率过大使喷焊层合金成分变化，喷焊层性能显著降低。1.3.2.2 非转移

22、弧电流 非转移弧首先起过渡引燃转移弧的作用。在等离子喷焊中，一种情况是保留非转移弧，采用联合弧工作；另一种情况是当转移弧引燃后，将非转移弧衰减并去除。采用联合弧工作时，保留非转移弧的目的是使非转移弧作为辅助热源，同时有利于非转移弧的稳定。非转移弧的存在不利于喷嘴的冷却。非转移弧电流一般为60-100A，而作为联合弧中的非转移弧电流应更小些，须根据转移弧电流大小适当选择。1.3.2.3喷焊速度 是表示喷焊过程进行快慢的参数。喷焊速度和熔敷率是直接联系在一起的。在保持喷焊层宽度和厚度一定的条件下，喷焊速度快，熔敷效率就高。提高喷焊速度使喷焊层减薄、变窄，工件熔深减小，喷焊层稀释率降低；当喷焊速度增

23、加到一定程度时，成形恶化，易出现未焊透、气孔等缺陷。一般根据喷焊工件的大小，电弧功率、送粉量等合理选择喷焊速度。1.3.2.4 送粉量 是指单位时间内从焊枪送出的合金粉末量，一般用g/min表示。在等离子喷焊过程中，其他参数不变的情况下，改变喷焊速度和送粉量，熔池的热状态发生变化，从而影响喷焊层质量。增加送粉量，工件熔深减小，当送粉量增加到一定程度时，粉末熔化不好、飞溅严重，易出现未焊透。 在保证喷焊层成形尺寸一致的条件下，增加送粉量要相应地提高喷焊速度。为了使合金粉末熔化良好，保证喷焊质量，要相应加大喷焊电流，使熔池的热状态维持不变，以便提高熔敷率。 喷焊速度和送粉量的大小反映喷焊生产率，从

24、提高生产率角度出发，希望采用高速度、大送粉量、大电流喷焊。但喷焊速度和送粉量受到焊枪性能、电源输出功率等因素的制约。因此对具体工件，要合理选择喷焊速度和送粉量。1.3.2.5 离子气和送粉气流量（1）离子气流量 离子气是形成等离子的工作气体，对电弧起压缩作用，并对熔池起保护作用。气流量大小直接影响电弧稳定性和压缩效果。气流量过小，对电弧压缩弱，造成电弧不稳定；气流量过大，对电弧压缩过强，增加电弧刚度，致使熔深加大。离子气流量要根据喷嘴孔径大小、非转移弧和转移弧的工作电流大小来选择。喷嘴孔径大，工作电流大，气流量要偏大；离子气流量一般以300-500L/h为宜。（2）送粉气流量 送粉气主要起输送

25、合金粉末作用，同时也对熔池起保护作用。合金粉末借助于送粉气的吹力，能顺利地通过管道和焊枪被送入电弧。气流量过小，粉末易堵塞；气流量过大，对电弧有干扰。送粉气流量主要根据送粉量的大小和合金粉末的粒度、松装密度来选择。送粉量大、松装密度大时，气流量应偏大。送粉气流量一般在300-700L/h范围内调节。1.3.2.6 焊枪摆动频率和幅度 焊枪摆动是为了一次喷焊获得较宽的喷焊层，摆动幅度一般依据喷焊层的要求而定。单位时间内焊枪摆动次数称为焊枪摆动频率（次/min）。摆动频率应保证电弧对喷焊面的均匀加热，避免焊道边缘出现“锯齿”状。摆动频率和幅度要配合好，一般摆幅宽，摆频要适当减慢；摆幅窄，摆频可适当

26、加快，以保证基体受热均匀，避免未熔合的现象。1.3.2.7喷嘴与工件之间的距离 喷嘴与工件之间的距离反应转移弧的电压。距离过高，电弧电压偏高，电弧拉长，使电弧在这段距离内未经受喷嘴的压缩，而弧柱直径扩张，受周围空气影响使得电弧稳定性和熔池保护变差。距离过低，粉末在弧柱中停留时间短，不利于粉末在弧柱中预先加热，熔粒飞溅粘接在喷嘴端面现象较严重。喷嘴与工件之间的距离根据喷焊层厚薄及喷焊电流大小，在10-20mm范围内调整。1.3.3喷焊用粉末等离子弧喷焊用的合金粉末主要有镍基、钴基、铁基及含WC型粉末四大类8。为了在喷焊过程中能通畅地送粉，要求粉末的形状为球形，粒度应控制在0.0710.280mm

27、（60200目）之间。粉末应干燥、不结块。粉中应严格控制不掺有纤维、碎纸、塑料等杂物。合金粉末不用时，应保存在密封容器中，不得受潮。长期放置的粉末在使用前，应于100150温度下烘干后再使用。1.3.3.1自熔性合金所谓自熔性合金，就是指含硼和硅等脱氧元素且熔点低，在加热熔化过程中，合金的成份能还原自身及基材的氧化物，形成低熔点的硼硅酸盐渣覆盖于表面，防止合金的氧化并改善润湿性能，使合金与基材得到良好的冶金结合的合金材料。自熔性合金的焊层与基材的结合强度一般为30-50kgf/mm2(300-500Mpa).。根据不同的化学组成，可以得到HRC15-65的不同硬度的焊层。喷焊工艺主要适合于冲击

28、负载较大，热疲劳环境及对工件变形要求不严格的地方。1.3.3.2镍基喷焊粉末镍基喷焊粉末是当前应用最多的自熔合金粉末。镍基喷焊粉末有两个系列：最早的自熔合金以镍基合金为基础。当镍和几种元素，如硼、硅、铬、钼和铜等组成的自熔合金时，合金熔点降低到易被氧-乙炔火焰所熔化的范围。镍的熔点为1453，加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温度在1000左右的固液相状态，而且可在HRC25HRC65之间调节硬度，并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能，镍硼硅合金是在镍中加入适量的硼、硅元素形成的。其粉末颗粒呈球形，合金熔点9001100。镍硼硅合金可用于铸铁、钢、不锈钢以及工作温度低于600的零部件的防护和修复。特

29、别适用于硬度要求不高的玻璃模具、塑料、橡胶模具的防护和修复以及铁、钢铸件缺陷的修补。镍铬硼合金粉末是在镍硼硅合金中加入碳、铬元素，便形成镍铬硼合金。这类合金具有优良的自熔性，用途最为广泛。粉末颗粒呈良好的球形。铬在合金中溶解于镍，形成Ni、Cr固溶体而增加合金强度，并提高合金的抗氧化性和耐蚀性。除此之外，铬还能生成硼化铬（Cr2B,CrB）和碳化铬（Cr23C6,Cr7C3）等硬质化合物，与镍的硼化物（Ni3B,Ni2B）和硅化物（Ni3Si）一起提高合金的硬度和耐磨性。增加合金中碳、硼、硅等元素的含量，合金的硬度可以从HRC25提高到HRC65，但合金的韧性相应降低。由于镍铬硼硅是以镍铬为基

30、础的合金，故具有良好的耐蚀性，对大气、海水、蒸汽、碱、盐、硫酸、盐酸等都有较好的抗腐蚀能力，优于18-8型不锈钢。镍铬硼硅自熔合金综合性能优良，用途广泛，可用于强化和修复承受金属摩擦磨损的工件，各种应力磨料磨损的零件、耐蚀件和工作温度不超过700的零件、以及铸铁、钢件缺陷的补修。1.3.3.3钴基喷焊粉末钴是昂贵的金属，钴基自熔合金是在Stellite合金的基础上添加适量的B、Si元素而创造的。钴基自熔性合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐气蚀、耐氧化、耐磨损等综合性能，其红硬性优于Ni基合金。由于价格昂贵，一般采用粉末利用率高的等离子喷焊工艺，用在要求高稳硬度或耐气蚀磨损的场合，如过热蒸汽阀门密封

31、面、发动机进排气阀密封面、热作模具等。1.3.3.4铁基自熔性合金大量在常温或中温下和弱酸介质中工作，要求有良好耐磨损性能的工件，不不必要都采用昂贵的镍基和钴基合金。因此，发展了一系列适应喷焊工艺要求的铁基自熔性合金，取得了良好的应用效果。铁基喷焊粉末有以下两种类型:不锈钢型铁基喷焊粉末不锈钢型铁基自熔合金是在不锈钢成分的基础上添加适量的B、Si元素而研制的。通过调整C、B、Si、Ni的含量来调整合金的硬度，并通过添加其它合金元素来改善合金的性能。应用较普遍的18-8Cr-Ni型，典型的品种是WF311和WF312。18-8不锈钢添加B、Si元素后，合金硬度和耐擦伤性显著提高，大大优于原18-

32、8不锈钢，用于中温中压阀门密封面，成倍提高了使用寿命。高铬铸铁型铁基喷焊粉末高铬铸铁型铁基自熔合金是在高铬铸铁耐磨合金成分的基础上添加B、Si、Ni元素而创造的，由于这种合金中含有较高的碳和铬，会形成大量的高硬度的碳化铬强化相，所以合金硬度较高，有极高的耐磨性。铁基自熔合金粉末适用于铁路钢轨的修补，以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等抗磨损零件的强化和修复。1.3.3.5碳化钨弥散型喷焊粉末碳化钨弥散型自熔合金粉末是在各种镍基、铁基、钴基自熔合金粉末中加入一定量的碳化钨而制成的。这种合金中由于超硬的碳化钨颗粒弥散在自熔合金中，就显著地提高了合金的硬度，使其具有极高的耐磨性。1.3.4等离子

33、喷焊的应用范围统计资料表明，美国工业生产中因磨损和腐蚀每年造成的经济损失高达上千亿美元，约占国民经济总值的2%4%。我国电力、冶金、采矿、化工、建材、石油钻井和机械制造业每年仅备件磨损消耗的钢材在200万吨以上，加上能源消耗及零部件更换停工造成的经济损失也高达数百亿元人民币。因此，采用等离子喷焊修复技术来提高设备使用寿命，可有效地避免相当一部分因零部件损坏而造成的经济损失。等离子喷焊修复具有生产效率高，喷焊层稀释率低，质量稳定，便于实现自动化等特点。粉末喷焊是目前应用最广泛的一种等离子弧喷焊方法，特别适合于轴承、轴颈、阀门板和座、涡轮叶片等零部件的喷焊。国产粉末等离子弧喷焊机有几种型号，例如L

34、UF4-250型粉末等离子弧喷焊机可以用来喷焊各种圆形焊件的外圆或端面，也可进行直接喷焊。最大焊件直径达500mm,直线长度达800mm.一次喷焊的最大宽度为50mm.可用于各种阀门密封面的喷焊，高温排气阀门喷焊，以及对轧辊、轴磨损后修复等。根据喷焊合金的成分，等离子弧喷焊用的合金粉末主要有镍基、钴基和铁基三类。镍基合金粉末主要是镍铬硼硅合金，熔点低，流动性好，具有良好的耐磨、耐蚀、耐热和抗氧化等综合性能。主要用于喷焊阀门、泵柱塞、转子、密封环、刮板等耐高温、耐磨零件。钴基合金粉末除具有较好的耐磨，耐腐蚀性能外，比镍基合金粉末具有更好的红硬性、耐热性和抗氧化性，但价格昂贵。主要用于高温高压阀门

35、锻模、热剪切刀具、轧钢机导轨等喷焊。铁基合金粉末成本低、耐磨性好并具有一定的耐蚀、耐热性能。喷焊受强烈磨损的零件如破碎机辊、挖掘机铲齿、泵套、排气叶片、高温高压阀门等。现代工业的发展对各种机械零部件的使用寿命要求越来越高，采用等离子弧喷焊技术提高机械零部件表面的抗磨损性能，越来越受到各工业生产部门的重视。等离子弧喷焊与修复的主要优点是生产效率高和质量稳定，尤其是表面喷焊层的结合强度和致密性高于火焰喷焊或喷涂以及一般电弧喷焊或喷涂。这是等离子喷焊修复获得广泛应用的一个重要原因。可利用等离子喷焊技术获得具有高耐磨性的复合喷焊层，这种方法是将高硬度颗粒均匀地镶嵌于喷焊层金属中，硬质颗粒不产生熔化或很

36、少熔化，形成复合喷焊层。这种复合喷焊层是由两种以上在宏观上具有不同性质的一种材料组成。一种是在喷焊层中起耐磨作用的碳化物硬质颗粒，一般为铸造碳化钨，它是由WC和W2C的共晶组成，硬度为25003000HV。喷焊层的另一种组成金属是起“黏结”作用的基体金属，也称为胎体金属。采用等离子喷焊技术获得的复合喷焊层质量稳定可靠，可使喷焊层达到无气孔、裂纹以及没有碳化物烧损、溶解等缺陷，碳化物颗粒在喷焊层中分布均匀、耐磨性高。在磨损严重的工况条件下，复合喷焊层的耐磨性尤为突出，可以比通常的铁基、钴基、镍基合金表面保护层提高耐磨使用寿命几倍甚至几十倍，喷焊合金层结合强度是热喷涂层结合强度的38倍9。1.3.

37、5国内外等离子喷焊备现状及发展趋势 等离子喷焊技术是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的，已广泛应用于航空、航天、军事、纺织、机械、电力、生物工程等各个领域，是一项应用相当广泛的热喷涂技术。随着全球经济的复苏，热喷焊技术，特别是等离子喷焊的工艺及设备又重新兴起，国外各喷焊设备厂家都在抓住机会不遗余力地进行新设备的开发和市场开拓工作，国内也出现新的竞争局面总体来说，当前国外先进的等离子喷焊设备发展方向有轴向送粉技术、多功能集成技术、实时控制技术10。1.3.5.1 国外等离子喷焊设备1.3.5.1.1 Axial III型等离子喷焊设备 Axial III为加拿大Mettech公司开发出的三

38、阴极轴向送粉等离子喷焊系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等离子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离子焰流，既降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量，见图1-2。而Axial III则可完全避免这些缺点。Axial III轴向送粉喷枪包括3对相对独立的阳极和阴极，喷枪起弧后3个电弧通过集束器在喷嘴处汇集，粉末通过一根位于喷枪轴向的送粉柱送入喷嘴汇集处，从而实现真正意义上的轴向送粉，见图1-3。与传统的枪外送粉等离了喷焊设备相比，Axial III的主要优点是高沉积效率、高送粉速率、低孔隙率和较高的涂层硬度，对粉末粒度分布要求不高。如用Axial III喷焊Cr2O3时的沉积效率为4

39、5%75%，送粉量为3090 g/ min,硬度(HV 300) 为1 3001 600,孔隙率为0. 3%0. 5%。由于Axial III提高了粉末的沉积效率，因而相应降低了喷焊成本。如喷焊WC-Co时，Axial III可以比HVOF节省75%80%的时间。日前，采用热喷焊工艺代替电镀铬成为新的研究方向，Axial III己经在许多领域替代了电镀铬，材料方面包括WC-Co, Cr- NiCr, Ti, NiCrBSi等。此外，Axial III在制备要求较高的涂层方面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有明显的优势。日前看来，采用传统的枪外送粉方式已很难使焊层质量得到较大的提高。而A

40、xial III实现了真正意义上的轴向送粉，有可能使等离了喷焊涂层质量迈上一个新台阶。图1-2枪外送粉等离子喷枪送粉示意图图1-3三阴极轴向送粉等离子喷枪送粉示意图1.3.5.1.2 Multicoat型等离子喷焊设备Multicoat为全球最大的热喷涂公司瑞士Sulzer Metco公司研制的最新型的等离了喷焊设备。Multicoat的设计基于“平台”概念，即使用相同的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实现不同的喷焊工艺。主平台由操作台、过程控制中心和气体管理中心组成，这是Sulzer Metco第一次将PC机的先进性(过程再现、数据管理)和PLC的稳固性结合起来。Multicoat可

41、以进行大气等离了喷焊(APS)、真空等离了焊焊(VPS)和超音速火焰喷焊(HVOF)。在系统配备上，Multicoat包括操作台、过程控制中心、气体管理中心、热交换器、送粉器、转接柜、电源、喷枪等。与以前的等离了喷焊设备相比，Multicoat将气体部分独立出来，这样既可以避免其它电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄漏发生危险，提高了系统的安全性。1.3.5.1.3 5500- 2000型等离子喷焊设备 5500- 2000为美国PRAXAIR- TAFA公司开发的等离了喷焊系统。5500- 2000采用专有软件实时控制和监测等离了弧的实际能量，即净能量。采用净能量算法可以使等离了喷焊系统

42、的闭环控制提高到一个新的水平。操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离了体能量，提供稳定的能量输出水平。此外，PRAXAIR- TAFA公司还开发出了类似Multicoat的多功能喷焊系统GTS，和大功率等离了喷焊系统P1azJet( 喷焊功率可以达到200kW，其中GTS可以进行等离了喷焊、超音速火焰喷焊和电弧喷焊。P1azJet在国内己有数家用户。1.3.5.2 国产等离子喷焊设备1.3.5.2.1 GP- 80型等离子喷焊设备GP- 80型等离子喷焊设备是由北京航空制造工程研究所在20世纪70年代研

43、制成功的等离子喷焊设备，其组成部分为采用继电器和浮子流量计控制的GDP- K型控制柜、磁放大器二极管整流的GDP- 80型电源、自来水冷却的SR- 1型热交换器、送粉轮式SF- 1型送粉器、P Q一1S乎提式喷枪、PQ一1J机装式喷枪，其操作简单，保护环节完善，代表了当时国产等离子喷焊设备的最高水平，为国家科委重点推广等离子喷焊技术作出了重大贡献。后来通过技术转让，该设备成为国产等离子喷焊设备的主流产品，日前该型号的设备仍占国产等离子喷焊设备的80%以上。1.3.5.2.2 APS- 2000型等离子喷焊设备APS- 2000为北京航空制造工程研究所最新研制的等离子喷焊设备。由于GP- 80电

44、源、热交换器效率较低，电流及气体流量控制精度较低等缺点，使喷焊层的质量不十分稳定，难以满足对高质量焊层的要求。因此，北京航空制造工程研究所高能束流重点实验室于1995年研制了新一代APS- 2000型等离子喷焊设备，见图1-4。该设备采用了许多新技术，其主要组成部分为采用PLC和质量流量计的APS- 2000K型控制柜、可控硅整流的K- 800型电源、氟里昂制冷式风冷FL-1型热交换器、高精度容积式DPSF-2型送粉器、P Q-1S乎提式喷枪、P Q-1J机装式喷枪和转接柜(水、电、气路的转接处，可防止相互干扰，提高了系统的安全性，并可随喷枪灵活移动)，总体性能达到国外20世纪90年代水平，代

45、表了目前国产等离了喷焊设备的最高水平。表1-3为上述两种设备的性能对比。图1-4 APS- 2000型等离子喷焊设备表1-3 GP-80型与APS-2000型等离子喷焊设备性能对比比较项目GP-80型等离子喷焊设备APS-2000型等离子喷焊设备控制方式继电器PLC气体流量控制精度20%2%电源效率50%90%电流控制精度5%1%送粉重复精度（3%5%）1%热交换器性能自来水冷却，浪费水，效率低氟里昂制冷，冷却水温任意调节1.4 石油钻杆接头钻杆是石油天然气行业进行油气资源勘探，开发过程中不可或缺的工具，是组成钻柱的主要部件。在石油勘探开采钻井时，钻杆接头用于连接上、下钻杆，是石油钻杆的薄弱环

46、节，80%以上的钻杆事故出现在这个部位。因此提高钻杆接头的质量，是降低事故的关键。1.4.1 石油钻杆接头井下工作环境据了解，目前国内大部分油田的钻井深度都达到了几百米，有的甚至更深，达到几千米，而且岩层复杂坚硬，钻杆在工作过程中，其外壁尤其是接头部位要与井壁或套管接触，所以承受着剧烈的磨损。由于钻杆接头周围接触面存在很多硬质点，所以磨损主要以磨粒磨损为主，特别是下部目的层段使用屏蔽暂堵钻井液时，钻杆接头工作在含砂多、粘度高、相对密度大，并且有一定腐蚀性的钻井液中。因此钻杆接头在承受磨粒磨损的同时还承受冲蚀磨损，从磨损机理来说，钻杆接头的磨损主要是显微切削，同时兼有腐蚀作用。因此钻杆在旋转钻井

47、过程中，接头外壁很容易发生磨粒磨损失效。磨粒磨损失效与敷焊材料的硬度和地层硬度的相对大小、钻杆构件与井壁的相对运动速度、材料特性、载荷情况、表面粗糙度、温度及润滑等因素密切相关11。1.4.2石油钻杆接头的失效形式及使用寿命随着石油，天然气消耗量的迅速增大，深井和超深井勘探的开发，石油钻杆接头在井下承受的压力也变得越来越大。一旦钻杆接头失效，钻杆也将会断裂，这将带来巨大的经济损失。据分析，石油钻杆接头失效形式主要有：磨损失效，腐蚀失效，应力疲劳失效等。其中，磨损是石油钻杆最常见的一种失效形式，由于石油钻杆接头的工作表面强烈与岩石，泥浆摩擦，当磨损量超过一定指标时，会造成石油钻杆接头报废。石油钻杆接头的磨