[发明专利]粗大硬金属颗粒内注射焊枪以及相关的组合、系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用硬金属粉末对井下工具进行耐磨堆焊（hardfacing），更具体地涉及内注射粗大硬金属颗粒以对井下工具进行耐磨堆焊的等离子弧焊枪（plasma transferred arc torch）系统。

背景技术

本文使用的术语“耐磨堆焊”可大体定义为通过沉积技术将一层硬质耐磨材料（本文称为“沉积物”）施加于较小抵抗表面或基底。耐磨堆焊被频繁地用于延长油气工业中使用的钻头和其它井下工具的使用寿命。碳化钨和各种碳化钨合金是广泛地用于保护与钻探和生产油和气的井相关的钻头以及其它井下工具的耐磨堆焊材料的示例。事实上，碳化物颗粒悬浮在工具表面上形成层的金属基体中。碳化物颗粒为耐磨堆焊材料提供硬度和耐磨性，同时基体金属为耐磨堆焊提供断裂韧度。在过去数年间，随着工业上认识到较软、较低成本的材料的基底能够进行耐磨堆焊，从而具有与较硬材料的较昂贵基底相同的耐磨和耐腐蚀特性，该技术的应用明显增长。

涂覆/耐磨堆焊程序包括在基底上形成相对厚的沉积物，以便使后者具有沉积材料的固有品质。耐磨堆焊包括通过焊接或热喷射来沉积硬质层。传统的焊接耐磨堆焊通过氧气焊（“OFW”）、钨电极惰性气体保护焊（“TIG”）、气体保护金属极电弧焊（“GMAW”）、自动保护金属极电弧焊（“SMAW”）、埋弧焊（“SAW”）以及管状焊条电弧焊（“FCAW”）。还可使用等离子弧焊耐磨堆焊和激光束耐磨堆焊。典型地，耐磨堆焊材料例如通过电弧焊或气焊施加到井下工具（例如钻头）的外表面，以保护钻头不被腐蚀和磨损。耐磨堆焊材料典型地包括一种或多种金属碳化物，所述金属碳化物通过金属合金（“粘结合金”）粘接到钢体。

许多因素影响具体应用中的耐磨堆焊组合物的耐久性。这些因素包括碳化物颗粒的化学组成和物理结构（尺寸、形状和颗粒尺寸分布）、基体金属或合金的化学组成和微观结构以及碳化物材料相对于彼此和相对于基体金属或合金的比例。最普遍的用于耐磨堆焊的金属碳化物是碳化钨。这种材料中也可存在少量碳化钽和和碳化钛，尽管这些其它碳化物可能被认为是有害的。

不管所使用的耐磨堆焊材料的类型如何，设计人员继续寻求改进耐磨堆焊材料的属性（例如提高耐磨性、热阻等）。遗憾的是，增大耐磨性通常导致损失断裂韧度，或反之亦然。例如，为获得较高的耐磨性（主要耐磨损或耐腐蚀），耐磨堆焊组合物可被设计为在金属基体中具有最大量的碳化物含量或耐磨堆焊层的厚度可增大。然而，具有较高硬度和较高碳化物含量的耐磨堆焊更易于分裂和脱层，随着耐磨堆焊厚度的增长将尤其如此。此外，在单层耐磨堆焊层的厚度增大的情况下，耐磨堆焊层的抗断强度或断裂韧度减小，从而限制耐磨堆焊的寿命。使耐磨损性或耐腐蚀性与韧度获得平衡的一种方式是在耐磨堆焊组合物中包括较大的碳化物颗粒。较大颗粒在焊接沉积物中具有较大的表面积，其提供增强的机械性能。

当使用等离子弧焊（PTA）法时，转移弧构成再充灌材料的发热元件，部件的表面形成基底。参照图1，其为PTA焊枪喷嘴116的截面图，PTA焊枪喷嘴具有阴极保持装置102、等离子气体104、阴极106、冷却水108、保护气体110、来自碳化物粉末漏斗120的碳化物粉末的供给线路112、焊接沉积物114、基底118（例如，井下工具的进行耐磨堆焊的那部分）以及电源122。

在例如图1中所示的典型的PTA装置中，与焊枪的阴极相比，基底升高到正电势，然后焊枪与基底之间的电流完全横穿等离子射流，向后者传输用于加热与局部熔化待涂覆或耐磨堆焊的区域所需要的能量。碳化物粉末在部件的表面上熔化，以便形成液态的焊接沉积物，其在取代焊枪下方的部件期间连续地补充。基底的表面熔化允许类似焊接工艺中遇到的冶金键（metallurgical bond）。

尽管PTA法在耐磨堆焊技术中非常有用，但是能够用在那些方法中的碳化物粉在PTA喷嘴内能够使用的颗粒大小方面受限。标准焊枪供给微小的碳化物粉末，当放置在基底上时，微小的碳化物粉末既不耐磨、也不耐腐蚀。能被PTA喷嘴容置的典型的颗粒大小约是250微米到约38微米（60网孔或更微小）。这是因为如果使用较大颗粒的碳化物粉末，会导致供给线路和PTA的喷嘴发生阻塞问题。因此，迄今为止，为了利用较大粒度的碳化物颗粒，必须利用碳化物绳或碳化物杆的手工焊接技术将碳化物粉末施加到基底。