[发明专利]提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法

说明书

技术领域

本发明属冲蚀磨损技术领域，具体涉及一种根据仿生学原理提高液动冲击锤的耐冲蚀磨损性能的方法。

背景技术

目前，液动冲击锤是石油、天然气及地热钻探等领域提高钻探效率主要工作部件，在油气钻探行业广泛应用。

液动冲击锤在泥浆环境下工作时，泥浆中的固体颗粒会对液动冲击锤内部的各密封运动部位产生磨损和卡阻。通过增大密封副螺旋槽的尺寸、适当增加了活塞的配合间隙，可在一定程度上解决阻卡问题，但固体颗粒就会进入到活塞缸套的配合面，使得活塞缸套磨蚀严重，大大降低了液动冲击锤活塞的使用寿命。因此，研究液动冲击锤活塞缸套的耐冲蚀磨损技术，是提高液动冲击锤使用寿命，提高钻探效率的关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种提高液动冲击锤关键部件耐冲蚀磨损的仿生学方法，有效提高活塞缸套的耐冲蚀磨损性能。

为达到以上发明目的，本发明采用如下技术方案实现：

提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法包括下列步骤：

1．将液动冲击锤中易损部件--上活塞1和下缸套2作为实施激光表面合金化处理的对象；

2．确定上活塞1和下缸套2待进行激光表面合金化处理的位置和区域：具体位置为上活塞1的外表面和下缸套2的内表面，上活塞1的外表面和下缸套2的内表面待进行激光表面合金化处理的区域为合金层区域，合金层区域呈条纹状，且与活塞运动方向一致；上活塞合金层条纹弧长l₁与上活塞直径d之比l₁/d和下缸套合金层条纹弧长L₁与下缸套直径D之比L₁/D均为0.1～0.3，上活塞母材条纹弧长l₂与上活塞合金层条纹弧长l₁之比l₂/l₁、下缸套母材条纹弧长L₂与下缸套合金层弧长L₁之比L₂/L₁均为0.5～1；

3．对步骤2确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理，使其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构，具体包括下列步骤：

3.1制备合金涂敷粉末：选用粘结效果好、激光照射后易气化、不影响合金层形成和合金层性能的有机粘合剂，将金属锰粉与有机粘合剂调制成均匀的膏状合金涂敷粉末；

3.2制定合金涂敷粉末添加方式：将步骤3.1制备的膏状合金涂敷粉末预涂于步骤2确定的上活塞1和下缸套2待进行激光表面合金化处理的位置和区域；

3.3激光器选择和激光束参数：选用10kW CO₂激光器作为激光光源，待膏状合金涂敷粉末预涂层干燥后，用功率为0.1～10kW、光斑直径为1～5mm、激光扫描速率为0.5～50mm/s的激光束进行处理；

3.4激光器处理过程：激光处理过程中用氩气进行侧吹保护。

本发明提出的仿生液动冲击锤耐冲蚀磨损方法，是根据毛蚶耐冲蚀磨损特性，模仿其外壳软硬相间的表面结构，利用激光合金化技术在液动冲击锤活塞及缸套表面制备仿生耐冲蚀表面，即母材条纹b与合金层条纹a呈软硬相间的分布。

本发明的有益效果在于：

1.采用本发明使液动冲击锤中的易磨损件--上活塞和下缸套经激光合金化处理后形成的仿生表面具有软硬相间的特性，其中的硬质合金层能有效地阻止泥沙对壁面造成大面积的冲蚀损坏，母材由于硬度较小会率先磨损形成沟槽，这种沟槽对泥浆颗粒起到导流作用，进一步减小了配合面的磨损，故能使上活塞和下缸套的耐磨性明显提高。

2.锰元素易于获得，仿生激光合金化处理简单易行。

附图说明

图1为液动冲击锤中上活塞的结构示意图

图2为液动冲击锤中下缸套的结构示意图

图1与图2中：1.上活塞，2.下缸套，a.合金层条纹，b.母材条纹，l₁-上活塞合金层条纹弧长，l₂-上活塞母材条纹弧长，d-上活塞直径，L₁-下缸套合金层条纹弧长，L₂-下缸套母材条纹弧长，D-下缸套直径

图3为母材微观组织金相照片

图4为激光加工后合金层微观组织金相照片

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

本实例的一个具体实施方式为：