[发明专利]等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法

说明书

本发明公开了一种等离子束‑超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法，该装置包括等离子束表面处理机和设置于其样品安装轴上的超声波振子、以及与超声波振子连接的超声波发生器。利用该装置制备无裂纹膨胀锥的方法包括如下步骤：1)分别配制混合均匀的内、中、外合金层的铁基合金粉；2)利用等离子束‑超声波复合装置，在超声波振动的条件下对待处理的毛坯膨胀锥分别进行等离子表面处理，形成内、中、外合金保护层，各保护层均需冷却、精磨后方可进行下一层保护层的制备。该方法将超声波振动与等离子束表面冶金结合，在膨胀锥表面获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的合金保护层，能显著提高产品的耐磨性和寿命。

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域，特别是涉及一种等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法。

背景技术

膨胀管技术是近些年发展起来的一项具有广阔应用前景的石油钻采工艺技术，为解决修井和完井等领域中的诸多技术难题提供了新的有效途径。但在膨胀管施工作业过程中，因作为主要膨胀扩径部件的膨胀锥(一般由Cr12MoV钢经淬火+低温回火制作而成)与膨胀管管体之间的作用方式为滑动摩擦，此类摩擦对膨胀锥的损坏极大，尽管使用了润滑油、减阻剂等措施，但仍无法有效地解决膨胀锥的磨损问题，膨胀施工过程中在管内高压流体的作用下甚至会出现膨胀锥刺漏、施工失败等问题，如何有效地提高膨胀锥的抗磨性成为当前膨胀管技术中亟待解决的现实问题。

等离子束表面冶金技术是是继等离子喷焊、堆焊、激光熔覆等表面强化技术之后发展起来的一种新的表面强化技术。该技术是以等离子弧为热源，采用同步送粉的方式，在基体材料的表面获得一层均匀致密、结合牢固的特殊保护层，实现合金层与金属基体的冶金结合，从而使金属表面具有非常高的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能。

因等离子束表面冶金工艺过程是一个复杂的物理、化学和冶金过程，同时也是一种对裂纹很敏感的表面改性工艺，等离子束的快速加热，使得表面合金层完全熔化，热量来不及传递开来，使得基材温度远低于表面合金层的温度。这就在合金层和基材材料间产生很大的温度梯度，在随后的快速凝固过程中，不能有足够的液体来补充，形成的温度梯度差以及表面合金层材料与基体材料的热膨胀系数差异造成二者体积收缩不一致；通常表面合金层的收缩率大于基材材料，受周围环境(冷态的基材)的制约，在表面合金层中往往会形成显著地残余拉应力，应力的大小与基体材料的硬度高低有关。另外，固态金属在冷却过程中还会因相组织转变而引发显著的组织内应力。当上述应力叠加超过材料的强度极限时，就会在工件的气孔、夹渣等薄弱部位发生开裂。等离子束表面冶金过程中产生的残余应力是表面合金层层裂纹形成的根源，所以，减小或消除工艺过程中的残余应力是抑制等离子束表面冶金裂纹的有效途径。

发明内容

本发明提供一种等离子束-超声波复合装置及利用其制备无裂纹膨胀锥的方法，其将超声波振动引入膨胀锥锥体的等离子束表面冶金强化处理过程，采用多层处理，在膨胀锥表面获得晶粒细小、组织致密、低气孔率、无裂纹的合金保护层，显著提高膨胀锥的耐磨性和使用寿命。

一种等离子束-超声波复合装置，包括等离子束表面处理机和设置于所述等离子束表面处理机的样品安装轴上的超声波振子、以及与所述超声波振子连接的超声波发生器。

进一步，所述超声波振子单侧开口，卡在所述样品安装轴上；

同时所述超声波振子下侧安装有橡胶垫，缓冲所述超声波振子对所述样品安装轴带来的振动，避免振动过于剧烈损坏安装轴。

一种无裂纹膨胀锥的制备方法，包括如下步骤：

1)按照如下配方分别配制混合均匀的内合金层、中合金层和外合金层的铁基合金粉；

所述内合金层的铁基合金粉的组分按照质量百分比计为：5～8％WC、0.5～1％Si、0.3～0.6％Mn、0.05～0.09％Nb、0.12～0.2％Cr、0.4～0.6％Mo、0.2～0.3％V，余量为铁；