專利名稱：管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面處理工藝，更具體地講本發(fā)明涉及一種管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝。屬于表面處理領(lǐng)域。在國際專利分類表中本發(fā)明屬于C23大類。
背景技術(shù)：
在石油、化工、冶金、能源等領(lǐng)域都有大量的管道處于高溫、腐蝕、磨損等工作條件下，對這些管道的內(nèi)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，形成耐高溫、耐腐蝕又耐磨損的強(qiáng)化涂層，無疑是提高管道的使用壽命和節(jié)省原材料的有效途徑。目前，在對細(xì)長管道的內(nèi)表面進(jìn)行處理時(shí)，原來對于外表面強(qiáng)化處理具有顯著效果的技術(shù)，諸如激光熔覆、等離子表面合金化等，由于內(nèi)孔實(shí)施困難、散熱條件差等原因，致使處理后管道變形大，難于發(fā)揮其作用。另外，如滲碳、氮化、電鍍、化學(xué)鍍、激光淬火等一些效果較顯著的技術(shù)，確實(shí)能夠提高管道內(nèi)壁的硬度和耐磨性，使管道的壽命得到提高，其不足之處是存在設(shè)備投資大、生產(chǎn)效率低、處理成本高等問題，從而限制了這些技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。再者，與本發(fā)明較為接近的離心—自蔓延法可以在管道內(nèi)壁形成陶瓷涂層技術(shù)，由于涂層和基體的熱膨脹系數(shù)差異太大，溫度變化時(shí)常出現(xiàn)裂紋，因而不能滿足防腐蝕和耐磨損的要求；另外，涂層的厚度也難以控制，后續(xù)加工困難，不適合內(nèi)表面有配合精度要求的管道處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提供一種用高能量密度的等離子束做熱源激發(fā)并輔助原位反應(yīng)，在管道內(nèi)壁生成耐磨性良好的金屬陶瓷復(fù)合層或耐蝕性良好的金屬間化合物層。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝步驟如下(一)制備熱反應(yīng)粉末1)配制能產(chǎn)生化學(xué)熱反應(yīng)的粉末，2)把所述的能產(chǎn)生化學(xué)熱反應(yīng)的粉末在150-200℃烘干6-8小時(shí)，3)在球磨機(jī)上混合10-15小時(shí)，4)將經(jīng)過上述處理的粉末裝入送粉器內(nèi)；(二)備好待處理的工件；(三)開啟工作臺(tái)，工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等離子發(fā)生器做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以Ar氣做等離子發(fā)生和保護(hù)氣體，打開等離子設(shè)備的氣、冷卻水開關(guān)。打開電源并高頻起弧，調(diào)整等離子束的工藝參數(shù)范圍，調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度，在等離子束熱的激發(fā)和輔助作用下，所述的粉末在等離子射流中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，到達(dá)所述的工件的表面形成金屬間化合物相及陶瓷相，與所述的工件的微熔狀態(tài)的基體呈冶金結(jié)合；(四)關(guān)閉等離子電源、氣瓶及送粉器的開關(guān)，關(guān)閉冷卻水開關(guān)；(五)將處理好的工件碼放整齊，備用。
在具體實(shí)施例中所述的熱反應(yīng)粉末為Fe-Al-TiO2-B2O3-Co系，其中Fe、Al、TiO2、
Co粉末的粒度均為150-200目，B2O3的粒度為100-150目；其粉末的配制比例如下①按照質(zhì)量比為Fe∶Al＝4∶1的比例配制Fe、Al粉末，②Al、TiO2、B2O3三者按照反應(yīng)式配制，③按照步驟①中的10-15％、步驟②中的75-80％質(zhì)量比稱量，其余的比例為Co粉的添加量。
所述的熱反應(yīng)粉末為Ni-Al-Co、Fe-Al-Co系，粉末的粒度均為150-200目，其質(zhì)量百分比如下Ni或Fe為75-80％，Al為15-20％，其余為Co粉的添加量。
其粉末的配制比例如下①按照質(zhì)量比為Fe∶Al＝4∶1的比例配制Fe、Al粉末，②Al、TiO2、B2O3三者按照反應(yīng)式配制，③按照步驟①中的15％、步驟②中的80％質(zhì)量比稱量，其余的比例為Co粉的添加量。
Ni或Fe為80％，Al為15％，其余為Co粉的添加量。
所述的等離子束的工藝參數(shù)范圍為Ar氣流量為0.5-1.0m3/h，粉末流量為0.1-0.5m3/h，等離子放電電壓為30-80V，等離子放電電流為150-500A。
所述的工件的旋轉(zhuǎn)速度為30-60rpm。
所述的等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度為50-80mm/s。
所述的送粉器的下端為漏斗形。所述的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)。
由于本發(fā)明采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)和效果
1.在等離子熱和化學(xué)反應(yīng)熱的共同作用下形成的涂層與工件的基體呈完全的冶金結(jié)合；2.在等離子射流的作用下涂層的成分呈密度和成分梯度分布；3.通過改變涂層的組成，可以調(diào)整涂層的熱膨脹系數(shù)，使之與基體大致匹配，最終可獲得性能優(yōu)良、結(jié)合強(qiáng)度高的梯度復(fù)合涂層；4.通過調(diào)整工藝參數(shù)可以有效的控制涂層的厚度；5.由于等離子熱和反應(yīng)熱的共同作用，既可以降低等離子束的輸入能量，又可以提高效率，從而減少細(xì)長管道的變形；6.采用常壓等離子作主體熱源，設(shè)備投資少，管道內(nèi)表面不需前處理，無環(huán)境污染，工作效率高。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明實(shí)施例1-整筒泵管內(nèi)壁形成FeAl+TiB2+Al2O3金屬間化合物/陶瓷涂層油田抽油機(jī)(俗稱磕頭蟲)整筒泵管位于油井的最下端，工作時(shí)內(nèi)表面受到柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)雜質(zhì)顆粒的磨損及油氣的腐蝕，在磨損及腐蝕的共同作用下，使用壽命很低。采用等離子輔助原位反應(yīng)技術(shù)對其表面進(jìn)行處理，具體過程如下配制Fe-Al-TiO2-B2O3-Co系，F(xiàn)e、Al、TiO2、Co的粒度均為150-200目，B2O3的粒度為100-150目，按照Fe∶Al＝4∶1的比例，配制Fe、Al粉末，此部分稱為①；Al、TiO2、B2O3三者按照反應(yīng)式配制，此部分稱為②；再按照①15％、②80％的質(zhì)量比稱量，另加5％(Wt％)的Co粉。各種粉末稱量后烘干8小時(shí)，再倒進(jìn)球磨機(jī)中混合10小時(shí)。將整筒泵管置于工作臺(tái)上，一端用三爪卡盤夾緊，送入等離子發(fā)生器，開啟冷卻水、送氣、送粉及電源開關(guān)，高頻起弧，進(jìn)入等離子原位反應(yīng)階段，工藝參數(shù)為Ar氣流量1.0m3/h，粉末流量0.3m3/h，等離子放電電壓為80V，等離子放電電流為250A，工件旋轉(zhuǎn)速度為30rpm，等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度為67mm/s，反應(yīng)完畢關(guān)閉電、氣、水開關(guān)，取下整筒泵管。涂層厚度控制在0.7-1.0mm，涂層相組成為FeAl+Fe3Al+CoAl+TiB2+Al2O3等，硬度可達(dá)850-1050HV，經(jīng)過珩磨后達(dá)到尺寸精度和表面質(zhì)量要求。用該法處理的整筒泵管變形少，成品率高于激光淬火、滲碳等已有技術(shù)。成本比激光淬火低10％，比滲碳、氮化、電鍍等低20-30％，涂層與工件基體結(jié)合牢固，在后續(xù)的珩磨過程中無剝落及裂紋產(chǎn)生，使用壽命比未處理的泵管延長3-4倍。
實(shí)施例2-油管內(nèi)壁形成NiAl、FeAl金屬間化合物涂層油井上使用的油管工作時(shí)主要受到油氣的腐蝕，需要良好的耐蝕性。采用等離子輔助原位反應(yīng)技術(shù)對其內(nèi)表面進(jìn)行處理，具體步驟如下配制Ni-Al-Co、Fe-Al-Co系，質(zhì)量百分比分別為Ni或Fe粉末為80％，Al粉末為15％，其余為Co粉末，配制完畢后將上述粉末烘干8小時(shí)，再倒進(jìn)球磨機(jī)中混合10小時(shí)。將油管置于工作臺(tái)上，一端用三爪卡盤夾緊，送入等離子發(fā)生器，開啟冷卻水、送氣、送粉及電源開關(guān)，高頻起弧，進(jìn)入等離子原位反應(yīng)階段，工藝參數(shù)為Ar氣流量0.8m3/h，粉末流量0.5m3/h，等離子放電電壓為60V，等離子放電電流為200A，工件旋轉(zhuǎn)速度為40rpm，等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度為55mm/s，反應(yīng)完畢關(guān)閉電、氣、水開關(guān)，取下油管。涂層厚度控制在0.5-0.7mm，涂層相組成為NiAl、Ni3Al、Ni2Al3，硬度可達(dá)380-550HV，經(jīng)過珩磨后達(dá)到尺寸精度和表面質(zhì)量要求。用該法處理的油管變形少，涂層與油管基體結(jié)合牢固，在后續(xù)的珩磨過程中無剝落及裂紋產(chǎn)生，使用壽命比未處理的油管延長3-4倍。
本發(fā)明所涉及的處理工藝相當(dāng)穩(wěn)定，在等離子熱和化學(xué)反應(yīng)熱的共同作用下形成的涂層與工件的基體呈完全的冶金結(jié)合；通過改變涂層的組成，可以調(diào)整涂層的熱膨脹系數(shù)，使之與基體大致匹配，最終可獲得性能優(yōu)良、結(jié)合強(qiáng)度高的梯度復(fù)合涂層；通過調(diào)整工藝參數(shù)可以有效的控制涂層的厚度；此外，還可以減少細(xì)長管道的變形和提高工作效率。
權(quán)利要求
1.一種管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝步驟如下(一)制備熱反應(yīng)粉末1)配制能產(chǎn)生化學(xué)熱反應(yīng)的粉末，2)把所述的能產(chǎn)生化學(xué)熱反應(yīng)的粉末在150--200℃烘干6-8小時(shí)，3)在球磨機(jī)上混合10-15小時(shí)，4)將經(jīng)過上述處理的粉末裝入送粉器內(nèi)；(二)備好待處理的工件；(三)開啟工作臺(tái)，工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，等離子發(fā)生器做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以Ar氣做等離子發(fā)生和保護(hù)氣體，打開等離子設(shè)備的氣、冷卻水開關(guān).打開電源并高頻起弧，調(diào)整等離子束的工藝參數(shù)范圍，調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度，在等離子束熱的激發(fā)和輔助作用下，所述的粉末在等離子射流中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，到達(dá)所述的工件的表面形成金屬間化合物相及陶瓷相，與所述的工件的微熔狀態(tài)的基體呈冶金結(jié)合；(四)關(guān)閉等離子電源、氣瓶及送粉器的開關(guān)，關(guān)閉冷卻水開關(guān)；(五)將處理好的工件碼放整齊，備用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的熱反應(yīng)粉末為Fe-Al-TiO2-B2O3-Co系，其中Fe、Al、TiO2、Co粉末的粒度均為150-200目，B2O3的粒度為100-150目；其粉末的配制比例如下①按照質(zhì)量比為Fe∶Al＝4∶1的比例配制Fe、Al粉末，②Al、TiO2、B2O3三者按照反應(yīng)式配制，③按照步驟①中的10-15％、步驟②中的75-80％質(zhì)量比稱量，其余的比例為Co粉的添加量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的熱反應(yīng)粉末為Ni-Al-Co、Fe-Al-Co系，粉末的粒度均為150-200目，其質(zhì)量百分比如下Ni或Fe為75-80％，Al為15-20％，其余為Co粉的添加量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于其粉末的配制比例如下①按照質(zhì)量比為Fe∶Al＝4∶1的比例配制Fe、Al粉末，②Al、TiO2、B2O3三者按照反應(yīng)式配制，③按照步驟①中的15％、步驟②中的80％質(zhì)量比稱量，其余的比例為Co粉的添加量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于Ni或Fe為80％，Al為15％，其余為Co粉的添加量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的等離子束的工藝參數(shù)范圍為Ar氣流量為0.5-1.0m3/h，粉末流量為0.1-0.5m3/h，等離子放電電壓為30-80V，等離子放電電流為150-500A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的工件的旋轉(zhuǎn)速度為30-60rpm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度為50-80mm/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的送粉器的下端為漏斗形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，其特征在于所述的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)。
全文摘要
一種管道內(nèi)壁等離子原位反應(yīng)復(fù)合處理工藝，主要特點(diǎn)在于所述的工藝步驟如下(一)制備熱反應(yīng)粉末；(二)備好待處理的工件；(三)開啟工作臺(tái)，打開等離子設(shè)備的氣、冷卻水開關(guān).打開電源并高頻起弧，調(diào)整等離子束的工藝參數(shù)范圍，調(diào)整工件的旋轉(zhuǎn)速度，調(diào)整等離子發(fā)生器的進(jìn)給速度；(四)關(guān)閉等離子電源、氣瓶及送粉器的開關(guān)，關(guān)閉冷卻水開關(guān)；(五)將處理好的工件碼放整齊備用。本工藝所形成的涂層與工件的基體呈完全的冶金結(jié)合，可獲得結(jié)合強(qiáng)度高的梯度復(fù)合涂層，可以有效的控制涂層的厚度，減少細(xì)長管道的變形和提高工作效率。
文檔編號(hào)C23C24/10GK1570209SQ200410037320
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月28日
發(fā)明者崔洪芝, 尹華躍 申請人:崔洪芝, 尹華躍