專利名稱：耐腐蝕位置測量系統(tǒng)及該系統(tǒng)的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及位置測量系統(tǒng)和形成位置測量系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
離岸鉆探設(shè)備通常包括用于補償波浪引起的運動的定向作用張緊器。更具體地，定向作用張緊器可包括具有活塞桿的一個或多個大型液壓缸。液壓缸連續(xù)地緩沖波浪引起的運動并由此平衡鉆探設(shè)備和/或穩(wěn)定鉆柱。由此，可通過測量、監(jiān)控和調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的活 塞桿的位置來優(yōu)化緩沖。此外，液壓缸通常安裝在鉆探設(shè)備的甲板下方，即浪濺區(qū)內(nèi)，并因此常常暴露于來自空氣傳播的鹽霧、海水、冰、移動的纜索和/或碎片的極有腐蝕性并引起磨損的環(huán)境。因此，這些液壓缸的活塞桿必須呈現(xiàn)優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，并且必須保持在使用壽命中不開裂。其它類型的活塞桿和液壓缸可致動用于包括運河、水閘、水力發(fā)電設(shè)備、鑄造廠和金屬加工設(shè)備的應(yīng)用的大型閘閥?？赏ㄟ^測量并調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的活塞桿的位置或位移來控制閘閥的致動。此外，在液壓缸的操作期間，活塞桿可能進行數(shù)千次弓I起磨損的移位和/或可能經(jīng)歷來自移動的機械、構(gòu)件和密封件的沖擊。

發(fā)明內(nèi)容
一種形成位置測量系統(tǒng)的方法包括使由第一材料形成的基底的表面熔化，其中在所述表面中限定有至少一個凹槽并且所述表面在所述至少一個凹槽內(nèi)熔化。所述方法還包括在熔化的同時將第二材料沉積到所述至少一個凹槽內(nèi)，以形成所述第一材料與所述第二材料的混合物。此外，所述方法包括使所述混合物固化，以形成可與所述第一材料相區(qū)分并與所述第一材料冶金地結(jié)合的指示材料。所述方法還包括將合金沉積到所述基底上以形成覆蓋所述指示材料和所述表面的耐腐蝕覆層，從而形成所述位置測量系統(tǒng)。在一個實施例中，所述方法包括加工基底的表面，以在表面中限定多個凹槽。所述基底由第一磁性材料形成并為具有縱向軸線的圓柱形桿。所述多個凹槽中的每一個都沿所述縱向軸線與所述多個凹槽中相鄰的一個間隔開，并且所述方法包括使所述表面在所述多個凹槽中的每一個內(nèi)熔化，以由此使所述多個凹槽沿所述縱向軸線均勻地分布。此外，所述方法包括在熔化的同時將第二非磁性材料沉積到所述多個凹槽中的每一個內(nèi)，以由此形成所述第一磁性材料和所述第二非磁性材料的多種相應(yīng)的混合物。所述方法還包括使所述多種相應(yīng)混合物中的每一種混合物固化，以形成可與所述第一磁性材料相區(qū)分并與所述第一磁性材料冶金地結(jié)合的非磁性指示材料。此外，所述方法包括將非磁性合金沉積到所述基底上以形成覆蓋所述非磁性指示材料和所述表面并與所述非磁性指示材料和所述表面冶金地結(jié)合的耐腐蝕覆層，以由此形成所述位置測量系統(tǒng)。一種位置測量系統(tǒng)包括基底，所述基底由第一材料形成并且具有一表面，在所述表面中限定有至少一個凹槽。所述位置測量系統(tǒng)還包括布置在所述至少一個凹槽內(nèi)的指示材料。所述指示材料由第一材料與第二材料的混合物形成，并可與所述第一材料相區(qū)分并與所述第一材料冶金地結(jié)合。此外，所述位置測量系統(tǒng)包括耐腐蝕覆層，所述耐腐蝕覆層由合金形成并布置在所述基底上以便覆蓋所述指示材料和所述表面。本發(fā)明的上述特征以及其它特征和優(yōu)點易于從下文結(jié)合附圖對用于實施本發(fā)明的最佳模式的詳細描述而顯而易見。


圖I是位置測量系統(tǒng)的示意性立體圖；圖2是圖I的位置測量系統(tǒng)沿剖面線2-2截取的示意性截面圖；以及 圖3是圖I和2的位置測量系統(tǒng)的多個凹槽的示意性截面圖。
具體實施例方式參見附圖，其中同樣的參考標號表示同樣的元件，在此描述一種形成位置測量系統(tǒng)10的方法。位置測量系統(tǒng)10可用于檢測在腐蝕性環(huán)境中操作的基底12的位置。亦即，位置測量系統(tǒng)10呈現(xiàn)優(yōu)異的耐腐蝕性，并且位置測量系統(tǒng)10可用于確定基底12相對于基準位置的位置或位移。由此，位置測量系統(tǒng)10可用于海洋應(yīng)用，諸如離岸鉆探設(shè)備，以用于指示液壓缸內(nèi)的基底12例如活塞桿的位置。然而，位置測量系統(tǒng)10也可用于需要位置測量和耐腐蝕性的非海洋應(yīng)用，包括但不限于運河、水閘、水力發(fā)電設(shè)備、鑄造廠和金屬加工設(shè)備。參見圖1，位置測量系統(tǒng)10包括由第一材料形成的基底12。在一個非限制性的示例中，基底12可為如圖I所示的具有縱向軸線14的圓錐形桿，諸如用于液壓缸(未示出)的活塞桿。此外，基底12可根據(jù)期望應(yīng)用具有任何合適的尺寸。例如，對于需要基底12平移進出密封的缸或閥殼體(未示出)的應(yīng)用而言，基底12可具有從約I. 5米至約18米的長度16，和從約120_至約510_的直徑18。由此，基底12的特征為超大(XL)液壓缸活塞桿。第一材料可為金屬。此外，第一材料可為含鐵的材料。因此，第一材料可為磁性的，并可具有第一導磁率。第一材料可從諸如但不限于鋼、碳鋼、合金鋼、不銹鋼、工具鋼、鑄鐵和其組合物之類的材料中選擇。在一個非限制性的示例中，第一材料可為經(jīng)熱處理、低合金、高強度的鋼，諸如SAE (Society of Automotive Engineers,汽車工程師協(xié)會)4130鋼或SAE4340鋼。在另一個非限制性的示例中，第一材料可為普通碳鋼，諸如SAE1045鋼?，F(xiàn)在參見圖2，基底12具有表面20，在表面20中限定有至少一個凹槽22。如圖3所示，至少一個凹槽22可具有V形并可限定具有從約0. 3mm至約0. 7mm例如約0. 5mm的半徑的基本上圓形的頂部24。因此，所述至少一個凹槽22的每一側(cè)26、28 二者之間可限定從約55°至約65°例如約60°的夾角30。亦即，至少一個凹槽22的每一側(cè)26、28可相對于表面20傾斜。由此，代替具有可在沖擊或引起磨損的事件期間集中應(yīng)力并導致基底12開裂的正方形形狀(未示出)或鋒利頂部(未示出)，凹槽22可具有構(gòu)造成消散應(yīng)力的基本上圓形頂部24。
繼續(xù)參考圖I和2，表面20可在其中限定有多個凹槽22。多個凹槽22中的每一個都可在從約0. 9mm至約I. 3mm、例如約I. Imm的深度32 (圖3)處從表面20延伸到基底12內(nèi)，并可具有從約I. 9mm至約2. 1mm、例如約2. Omm的凹槽寬度34 (圖2)。此外，如圖3中最好地示出，兩個相鄰的凹槽22 二者之間可限定間隙36，該間隙具有從約1.9_至約
2.1mm、例如約2. Omm的間隙寬度38，以使得多個凹槽22中的每一個都沿縱向軸線14 (圖I)與多個凹槽22中相鄰的一個間隔開。因此，表面20可在其中限定有沿縱向軸線14 (圖I)均勻地分布的多個凹槽22。換而言之，各間隙36可通過凹槽22與相鄰的間隙36等距地間隔開，以使得凹槽寬度34 (圖2)與間隙寬度38 (圖3)之比可為1:1。因此，一個間隙36和一個凹槽22的總寬度可為約4. Omm,以使得位置測量系統(tǒng)10的周期或節(jié)距40可為約
4.0mm。此外，如圖I所示，多個凹槽22中的每一個都可布置成基本上垂直于縱向軸線14。亦即，表面20可在基底12中限定周向或徑向凹槽22。再參見圖2，位置測量系統(tǒng)10還包括布置在所述至少一個凹槽22內(nèi)的指示材料 42。指示材料42可在操作期間指示基底12的位置，如下文更詳細所述。指示材料42由第一材料與第二材料的混合物形成。更具體而言，第二材料可為用于激光焊接操作的填充金屬，如下文更詳細所述。因此，第二材料可為非磁性的并且可以為用于通過激光器(未示出)噴射和熔化的粉末或線材。由此，指示材料42也可以是非磁性的。在另一個非限制性的變型中，第二材料可為磁性的。對于這種變型而言，指示材料42也可為磁性的并可具有與上述第一材料的第一導磁率不同的第二導磁率。對于第一材料為低合金、高強度鋼或普通碳鋼的實施例而言，第二材料可為包括從鎳、鈷和其組合物的群組中選擇的元素的合金。第二材料中可存在鎳和/或鈷，以向指示材料42提供耐腐蝕性。更具體而言，第二材料中存在的鎳和/或鈷的量基于第二材料的100份重量可為約I份至約90份重量。例如，用于向指示材料42提供優(yōu)異的耐腐蝕性的合適的第二材料基于金屬合金的100份重量可包括約65份重量的鎳、約20份重量的鉻、約8份重量的鑰、約3. 5份重量的銀與鉭的組合物和約4. 5份重量的鐵,并可從紐約州New Hartford的Special Metals Corporation以品名INCONEL 625購得。類似地，合適的第二材料可包括約54份重量的鈷、約26份重量的鉻、約9份重量的鎳、約5份重量的鑰、約3份重量的鐵、約2份重量的鎢和約I份重量的錳、硅、氮和碳的組合物，并可從印第安納州Kokomo的 Haynes International, Inc. 以品名UITIMET 購得。此外，第二材料的其它合適的非限制性的示例可包括可從賓夕法尼亞州Reading的Carpenter Technology Corporation以品名Micro-Melt 、可從印第安納州 Goshen 的 Stellite Coatings 以品名Stellite 21和可從俄亥俄州Cleveland的Eaton Corporation以品名Eatonite ABC-Ll購得的合金?；蛘?，第二材料可為不銹鋼。合適的不銹鋼包括但不限于308級、316級、321級和347級奧氏體不銹鋼。對于一些在比較短的使用壽命例如不足約15年需要優(yōu)異的耐腐蝕性的一些應(yīng)用，或者在腐蝕性比較低的操作環(huán)境例如微咸水下，合適的第二材料可替代地包括馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、超鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼、超雙相不銹鋼和它們的組合物。再參見圖2，指示材料42可與第一材料相區(qū)分。例如，由于指示材料42可為非磁性的且第一材料可為磁性的，指示材料42可為可區(qū)分的，即能由諸如霍爾效應(yīng)傳感器或換能器之類的傳感器(未示出)感測或檢測到，所述傳感器構(gòu)造成響應(yīng)于磁場的變化而改變輸出電壓。在另一個非限制性的示例中，指示材料42可基于指示材料42的第二導磁率與第一材料的第一導磁率之間的差異與第一材料相區(qū)分。例如，指不材料42和第一材料各者可為磁性的，但指示材料2可具有與第一材料的第一導磁率不同的第二導磁率。因此，傳感器可對指不材料42和第一材料分別的第二導磁率和第一導磁率之間的差異作出響應(yīng)。在又一個非限制性的示例中，指示材料42可基于諸如密度之類的另一種性質(zhì)與第一材料相區(qū)分。指示材料42也可與第一材料冶金地結(jié)合。例如，指示材料42可與第一材料焊接結(jié)合。亦即，由于指示材料42由第一材料與第二材料的混合物例如在熔化之后形成，所以指示材料42與第一材料冶金地結(jié)合，如下文更詳細所述。繼續(xù)參見圖2，位置測量系統(tǒng)10還包括由合金形成并布置在基底12上以便覆蓋指示材料42和表面20的耐腐蝕覆層44。耐腐蝕覆層44可向位置測量系統(tǒng)10提供優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，如下文更詳細所述。 耐腐蝕覆層44的合金可為用于激光熔覆操作的金屬合金。因此,該合金可為用于通過激光器(未示出)噴射和熔化的粉末或線材。此外，合金和耐腐蝕覆層44可為非磁性的?；蛘?，合金和耐腐蝕覆層44可為磁性的，但可具有與上述第一材料的第一導磁率不同的導磁率。耐腐蝕覆層44的合金可類似于第二材料。例如，對于第二材料為INGG1NEL 625的應(yīng)用而言，耐腐蝕覆層44的合金也可為I]S[(X)]NEL 625。同樣，對于第二材料為316級不銹鋼的應(yīng)用而言，耐腐蝕覆層44的合金也可為316級不銹鋼?；蛘?，第二材料和耐腐蝕覆層44的合金可以不相似。例如，根據(jù)成本或重量考慮，第二材料可為316級不銹鋼，并且耐腐蝕覆層44的合金可為INCONEL 625。對于第一材料為低合金、高強度鋼或普通碳鋼的實施例而言，耐腐蝕覆層44的合金可包括從鎳、鈷和其組合物的群組中選擇的元素。合金中可存在鎳和/或鈷，以向位置測量系統(tǒng)10提供耐腐蝕性。更具體而言，合金中存在的鎳和/或鈷的量基于該合金的100份重量可為約I份至約90份重量。例如，耐腐蝕覆層44的合適的合金基于該合金的100份重量可包括約65份重量的鎳、約20份重量的鉻、約8份重量的鑰、約3. 5份重量的銀與鉭的組合物和約4. 5份重量的鐵,并可從紐約New Hartford的Special MetalsCorporation 以品名INCONEL 625購得。類似地，耐腐蝕覆層44的合適的合金可包括約54份重量的鈷、約26份重量的鉻、約9份重量的鎳、約5份重量的鑰、約3份重量的鐵、約2份重量的鎢和約I份重量的錳、硅、氮和碳的組合物，并可從印第安納州Kokomo的Haynes International, Inc. 以品名UJLT1MET 購得。此外，合金的其它合適的非限制性的示例可包括可從賓夕法尼亞州Reading的Carpenter Technology Corporation以品名Mici*0-Melt 、可從印第安納州 Goshen 的 Stellite Coatings 以品名Stellite 21、和可從俄亥俄州Cleveland的Eaton Corporation以品名Eatonite ABC_Ll購得的合金?；蛘?，耐腐蝕覆層44的合金可為不銹鋼。合適的不銹鋼包括但不限于308級、316級、321級和347級奧氏體不銹鋼。對于一些應(yīng)用而言，合適的合金可替代地包括馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、超鐵素體不銹鋼、雙相不銹鋼、超雙相不銹鋼和它們的組合物。
由于耐腐蝕覆層44的合金可包括鎳和/或鈷，所以耐腐蝕覆層44呈現(xiàn)優(yōu)異的耐腐蝕性。更具體地，耐腐蝕覆層44在從約-40° C至約50° C的環(huán)境溫度下可充分耐受來自海水的腐蝕。換而言之，耐腐蝕覆層44使基底12的表面20在暴露于海水之后在空氣中的氧化最小化。如文中所用，與淡水相反，術(shù)語“海水”指的是具有基于約I萬億份體積的海水約31份體積至約40份體積、即約31ppt至約40ppt (約3. 1%至約4%)的鹽分和在4° C下約1.025g/ml的密度的水。此外，海水包括從包括氯化物、鈉、硫酸鹽、鎂、鈣、鉀、碳酸氫鹽、溴化物、硼酸鹽、鍶、氟化物和其組合物的群組中選擇的一種或多種離子的溶解鹽。海水可包括含鹽的鹽水和濃鹽水。另外，耐腐蝕覆層44可具有小于或等于-0. 200的自然腐蝕電位EM 。如文中所用，術(shù)語“自然腐蝕電位”指的是相對于基準電極不存在流向海水中的基底12或從基底12流動的凈電流。此外,耐腐蝕覆層44可呈現(xiàn)每年小于或等于約0.000254的腐蝕率。如文中所用，術(shù)語“腐蝕率”指的是每單位時間腐蝕導致的基底12和/或耐腐蝕覆層44的變化并表達為每年的腐蝕深度增加。因此,耐腐蝕覆層44可呈現(xiàn)最小化的對來自例如點蝕和/或裂紋擴展的局部腐蝕的敏感性。 如圖2所示，耐腐蝕覆層44可具有從約0. 6mm至約I. 6mm、例如約I. 3mm的厚度46。此外，耐腐蝕覆層44可限定其基本上平坦的外表面48。亦即，外表面48可具有從約
0.I微米至約0. 15微米的表面粗糙度Ra，其中I微米等于IX 10_6米。如文中所用，術(shù)語“表面粗糙度Ra”指的是耐腐蝕覆層44的外表面48的紋理的度量并且指的是外表面48的峰部和谷部(未示出)之間的平均距離。更具體地，耐腐蝕覆層44的外表面48上的微觀谷部對應(yīng)于外表面48上位于均線下方的點。類似地，耐腐蝕覆層44的外表面48上的微觀峰部對應(yīng)于外表面48上位于均線上方的點。因此，這些峰部和谷部之間的距離的測量值決定表面粗糙度Ra?？赏ㄟ^拋光或修整耐腐蝕覆層44來提供外表面48的表面粗糙度Ra，如下文更詳細所述。比較粗糙的表面通常呈現(xiàn)較低的耐磨性并比相對平坦的表面更快地磨損，這是因為表面中諸如峰部和谷部之類的不規(guī)則可形成用于裂紋、應(yīng)力區(qū)和/或腐蝕的初始位置。因此，由于外表面48基本上平坦，所以耐腐蝕覆層44呈現(xiàn)優(yōu)異的平滑度和所致的耐磨和耐腐蝕性。再參見圖2，耐腐蝕覆層44覆蓋指示材料42和基底12的表面20。更具體地，耐腐蝕覆層44可在如根據(jù)用于覆層的結(jié)合強度的ASTM多級剪切試驗測定的大于70MPa、例如大于約340MPa的結(jié)合強度與指示材料42和表面20各者冶金地結(jié)合。前述結(jié)合強度使耐腐蝕覆層44的層離最小化，并且對于需要在反復加熱和冷卻、例如暴露于直射陽光時具有最小化的熱膨脹的材料的應(yīng)用而言可能尤其是有利的。現(xiàn)參見所述方法，總體參考圖1-3描述形成位置測量系統(tǒng)10的方法。該方法包括使由第一材料形成的基底12的表面20熔化，其中表面20在其中限定有至少一個凹槽22，并且表面20在至少一個凹槽22內(nèi)熔化。亦即，表面20在至少一個凹槽22內(nèi)、即在至少一個凹槽22的位置熔化。可通過任何已知的工藝使至少一個凹槽22例如多個凹槽22內(nèi)的表面20熔化。例如，可通過使用具有約2mm的光斑大小的激光器對限定至少一個凹槽22的表面20進行激光焊來使至少一個凹槽22內(nèi)的表面20熔化。因此，在熔化前，所述方法可包括加工表面20，以在其中限定多個凹槽22，其中多個凹槽22中的每一個都布置成基本上垂直于縱向軸線14 (圖I)并沿縱向軸線14的多個凹槽22中相鄰的一個間隔開?；?2可被校直并清潔以準備對基底12進行加工。然后可例如使用車床或具有多個切削刀片(未示出)的切削工具來加工基底12的表面20，以限定多個凹槽22。可同時在表面20中加工四個、六個或更多個凹槽22。參見圖3，可通過加工基底12得到多個凹槽22，并且所述凹槽22可在例如約I. IOmm的上述深度32處延伸到基底內(nèi)。如圖3所示，凹槽22的加工寬度50可小于凹槽22在熔化之后的最終凹槽寬度34。亦即，凹槽22的加工寬度50可為從約I. 8mm至約2. 0mm，例如約I. 9mm，以允許凹槽22在熔化期間稍微膨脹。再參見圖2，所述方法還包括在熔化的同時將第二材料沉積到至少一個凹槽22內(nèi)，以形成第一材料與第二材料的混合物。亦即，熔化和同時發(fā)生的沉積還可限定為在至少一個凹槽22處對表面20進行激光焊，以使得至少一個凹槽22內(nèi)的表面20隨著第二材料沉積而熔化。換而言之，第二材料和限定至少一個凹槽22的表面20可被激光焊，即熔融焊，以使得至少一個凹槽22的一部分熔化并與第二材料混合以形成混合物。例如，可將粉末或線材形式的第二材料噴射到熔化的凹槽22內(nèi)，以形成第一材料與第二材料的混合物。激光 焊接可在各凹槽22內(nèi)形成液化的熔池，其中該熔池由第一材料與第二材料的混合物形成。因此，可通過改變?nèi)刍牡谝徊牧系牧亢统练e或噴射到至少一個凹槽22內(nèi)的第二材料的量來控制混合物的組分。激光焊、即熔化至少一個凹槽22的表面20和同時發(fā)生的將第二材料沉積到至少一個凹槽22內(nèi)可由包括從焊接頭發(fā)出的激光的激光焊接設(shè)備(未示出)執(zhí)行。激光焊接裝置還可包括附接到焊接頭上以實現(xiàn)焊接頭在多個凹槽22上的精確、自動定位的激光構(gòu)成的光束跟蹤器。這種設(shè)備可使在加工期間的加工和定位誤差最小化。至少一個凹槽22的形狀可使混合物的收縮開裂和孔隙率最小化。如文中所用，術(shù)語“孔隙率”指的是材料內(nèi)的空隙空間的量并表達為全部材料的百分比。此外，至少一個凹槽22使在激光焊接期間熔化的第一材料的量最小化，這又使得到的第一材料與第二材料的混合物中的鐵的量最小化?；旌衔锏倪@種最小化的鐵含量提高了位置測量系統(tǒng)10的耐腐蝕性。再參見圖2，所述方法還包括使混合物固化，以形成可與第一材料相區(qū)分并與第一材料冶金地結(jié)合的指示材料42。亦即，混合物可在激光焊接完成后硬化，以便固化并形成指示材料42或激光焊縫。由于指示材料42通過使第一材料與第二材料的混合物固化而形成，所以指示材料42被熔融焊接到基底12的第一材料。前述熔化、同時發(fā)生的沉積和混合物的固化形成了具有優(yōu)異的結(jié)合強度和最小化的孔隙率的指示材料42。亦即，指示材料42的結(jié)合強度可顯著大于可呈現(xiàn)從僅約13MPa至約69MPa的結(jié)合強度的通過釬焊、焊接、電鍍和/或熱噴涂形成的比較材料(未示出)的結(jié)合強度。指示材料42的提高的結(jié)合強度對于需要在反復加熱和冷卻、例如暴露于直射陽光時具有最小化的熱膨脹的材料的應(yīng)用而言可能是尤其有利的。繼續(xù)參見圖2，所述方法還包括將合金沉積到基底12上，以形成覆蓋指示材料42和表面20的耐腐蝕覆層44，以由此形成位置測量系統(tǒng)10。亦即，沉積合金還可限定為激光熔覆指示材料42和表面20以使得指示材料42和表面20各者熔化并與耐腐蝕覆層44冶金地結(jié)合。換而言之，耐腐蝕覆層44可借助于激光熔覆、即熔融焊接到指示材料42和表面20上，以使得指示材料42和表面20的一部分熔化并與合金混合以形成耐腐蝕覆層44。因此，激光熔覆可使合金與基底12和指示材料42各者熔融，以在基底12上形成耐腐蝕覆層44。激光熔覆、即將合金沉積到基底上以形成耐腐蝕覆層44可由包括從焊接頭發(fā)出的激光的激光熔覆系統(tǒng)(未示出)執(zhí)行。耐腐蝕覆層44可沿縱向軸線14在緊密盤旋的路徑中沉積到表面20和指示材料42上。例如，基底12可在激 光熔覆系統(tǒng)在緊密盤旋的路徑中將耐腐蝕覆層44沉積到表面20和指示材料42上的同時轉(zhuǎn)動。耐腐蝕覆層44可被直接沉積到指示材料42上，以便覆蓋指示材料42。因此，該方法不需要在合金沉積以形成耐腐蝕覆層44之前對指示材料42進行中間研磨或加工。該合金可被沉積以使得耐腐蝕覆層44是具有從約I. 7mm至約2. 0_、例如約I. 8mm至約I. 9mm的初步厚度(未示出)的單層。隨后，耐腐蝕覆層44可被研磨至從約0. 6mm至約I. 6_、例如約I. 3mm的厚度46 (圖2)。應(yīng)了解，合金可在如上所述熔融、同時沉積第二材料并使混合物固化之后被沉積到基底12上?；蛘?，所述方法可包括同時熔化、沉積第二材料，并沉積合金。亦即，熔化、沉積第二材料與沉積合金可以是同時發(fā)生的。更具體地，第二材料和合金可具有相同的組分，即可為相同的材料，以使得第二材料可在合金被沉積到基底12上時被沉積到至少一個凹槽22內(nèi)，以形成耐腐蝕覆層44。所述方法還可包括修整耐腐蝕覆層44，以限定基本上平坦的外表面48。例如，可加工、研磨和/或拋光耐腐蝕覆層44，以使得外表面48具有從約0. I微米至約0. 15微米的表面粗糙度Ra。所述方法還可包括提高耐腐蝕覆層44與指示材料42和第一材料各者之間的結(jié)合強度。亦即，由于耐腐蝕覆層44由經(jīng)由激光熔覆的合金形成，所以耐腐蝕覆層44呈現(xiàn)如上所述的優(yōu)異結(jié)合強度。在另一實施例中，如參考圖I所述，形成位置測量系統(tǒng)10的方法包括加工基底12的表面20，以在其中限定多個凹槽22，其中基底12由第一磁性材料形成并為具有縱向軸線14的圓柱形桿。多個凹槽22中的每一個都沿縱向軸線14互相間隔開。對于該實施例，所述方法還包括使多個凹槽22中的每一個內(nèi)的表面20熔化，以由此使多個凹槽22沿縱向軸線均勻地分布。亦即，多個凹槽22中的每一個的表面20可熔化并由此從加工寬度50膨脹至凹槽寬度34，以使每個凹槽22都與相鄰凹槽22間隔開并在二者之間限定間隙36。因此，熔化可使多個凹槽22沿縱向軸線14均勻地分布，以使得凹槽寬度34與間隙寬度38的比例為約1:1。在熔化的同時，所述方法包括將第二非磁性材料沉積在多個凹槽22中的每一個內(nèi)，以由此形成第一磁性材料與第二非磁性材料的多種相應(yīng)混合物。所述方法還包括使所述多種相應(yīng)混合物固化，以形成可與第一磁性材料相區(qū)分并與第一磁性材料冶金地結(jié)合的非磁性指示材料42。所述方法另外包括將非金屬合金沉積到基底12上，以形成耐腐蝕覆層44，該耐腐蝕覆層覆蓋非磁性指示材料42和表面20各者并與其冶金地結(jié)合，以由此形成位置測量系統(tǒng)10。應(yīng)了解，熔化、沉積第二非磁性材料和沉積非金屬合金可以是同時發(fā)生的。所述方法還可包括提高耐腐蝕覆層44與非磁性指示材料42和第一磁性材料各者之間的結(jié)合強度。
在操作中，位置測量系統(tǒng)10可與一個或多個傳感器(未示出)、例如一個或多個霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器相互作用，以指示基底12相對于基準位置的位置。例如，傳感器可連續(xù)詢問位置測量系統(tǒng)10并檢測布置在耐腐蝕覆層44下方的指示材料42。具體地，當位置測量系統(tǒng)10平移經(jīng)過傳感器、例如在液壓缸內(nèi)伸出或縮回時，傳感器可檢測到由于交替的磁性第一材料和非磁性指示材料42的存在而引起的磁場變化，并且可計算位置測量系統(tǒng)10相對于基準位置的位移。當位置測量系統(tǒng)10改變位置時，傳感器可以約Imm的精度來檢測基底12的位置。如果需要，傳感器還可包括用于提高傳感器的靈敏度的脈沖乘法器換能器(未示出)。例如，傳感器和脈沖乘法器換能器可相結(jié)合地以約0. Imm的精度來檢測基底12的位置。為了操作期間的冗余，位置測量系統(tǒng)10可與至少兩個傳感器和兩個脈沖乘法器換能器相互作用。通過如文中所述的方法形成的前述位置測量系統(tǒng)10與其它測量系統(tǒng)(未示出)相比呈現(xiàn)優(yōu)異的耐腐蝕性，所述其它測量系統(tǒng)包括諸如鎳-鉻合金涂層之類的電鍍涂層；諸如氧化鉻-二氧化鈦涂層和氧化鋁-二氧化鈦涂層之類的熱噴涂陶瓷涂層；包括布置在鈷、鎳-鉻合金、或鎳粘結(jié)劑相中的諸如碳化鎢、碳化鉻、氧化物和其組合物之類的 硬粒子的高速氧燃料氣體(HVOF)熱噴涂陶瓷涂層；以及等離子噴涂的涂層。因此，位置測量系統(tǒng)10可尤其適合于在延長的使用壽命、例如約15年或更長時間需要連續(xù)耐腐蝕性的應(yīng)用，諸如用于在離岸鉆探設(shè)備的鹽水浪濺區(qū)內(nèi)工作的液壓缸的活塞桿。此外，耐腐蝕覆層44和指示材料42均呈現(xiàn)最小化的孔隙率。例如，耐腐蝕覆層44可具有約0. 03%的孔隙率，這可利于減少裂紋并提高耐腐蝕性。亦即，前述孔隙率使耐腐蝕覆層44內(nèi)的互連路徑的形成最小化。這些互連路徑可允許腐蝕性元素侵入并危害位置測量系統(tǒng)10的耐腐蝕性。相反，HVOF涂層可具有從約0. 5%至約2. 0%的孔隙率，并且等離子噴涂的陶瓷涂層可具有從約3. 0%至約10%的孔隙率，因此可呈現(xiàn)降低的耐腐蝕性和剝落。此外，位置測量系統(tǒng)10的耐腐蝕覆層44可以是有韌性的。因此，耐腐蝕覆層44可在比較高的能量沖擊時保持不開裂。相反，HVOF涂層和等離子噴涂涂層通常是易碎的并且可能在比較低的能量沖擊時嚴重開裂。位置測量系統(tǒng)10和相關(guān)方法提供了具有優(yōu)異的硬度和耐腐蝕性的耐腐蝕覆層44。因此，位置測量系統(tǒng)10適合于暴露于海水，例如適合于需要用于在離岸鉆探設(shè)備的浪濺區(qū)內(nèi)工作的經(jīng)涂覆的金屬基底12的應(yīng)用。耐腐蝕覆層44是平坦的并呈現(xiàn)優(yōu)異的壓縮殘余應(yīng)力。因此，位置測量系統(tǒng)10呈現(xiàn)提高的疲勞壽命和耐受拉伸升力，以及減少的疲勞裂紋、收縮裂紋和其它裂縫的滲透和蔓延。此外，所述方法是成本經(jīng)濟的，并使耐腐蝕覆層44和指示材料42中諸如裂紋和/或孔隙之類的不連續(xù)最小化。雖然已詳細描述用于實施本發(fā)明的最佳模式，但熟悉本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認識到用于在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)實施本發(fā)明的各種替代設(shè)計和實施例。
權(quán)利要求
1.一種形成位置測量系統(tǒng)(10)的方法，所述方法包括 使由第一材料形成的基底(12)的表面(20)熔化，其中在所述表面(20)中限定有至少一個凹槽(22)，并且所述表面(20)在所述至少一個凹槽(22)內(nèi)熔化； 在熔化的同時將第二材料沉積到所述至少一個凹槽(22)內(nèi)，以形成所述第一材料與所述第二材料的混合物； 使所述混合物固化，以形成可與所述第一材料相區(qū)分并與所述第一材料冶金地結(jié)合的指示材料(42);以及 將合金沉積到所述基底(12)上以形成覆蓋所述指示材料(42)和所述表面(20)的耐腐蝕覆層(44 )，從而形成所述位置測量系統(tǒng)(10 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，熔化和同時發(fā)生的沉積進一步限定為在所述至少一個凹槽(22)處對所述表面(20)進行激光焊，以使得在所述第二材料被沉積時所述至少一個凹槽(22)內(nèi)的所述表面(20)熔化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，沉積所述合金進一步限定為激光熔覆所述指示材料(42)和所述表面(20)，以使得所述指示材料(42)和所述表面(20)均熔化并與所述耐腐蝕覆層(44)冶金地結(jié)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括加工所述表面(20)以在所述表面(20)中限定出多個凹槽(22)，其中所述基底(12)具有縱向軸線(14)，并且所述多個凹槽(22)布置成基本上垂直于所述縱向軸線(14)，并且所述多個凹槽(22)中的每一個都沿所述縱向軸線(14)與所述多個凹槽(22)中相鄰的一個間隔開。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括提高所述耐腐蝕覆層(44)與所述指示材料(42)和所述第一材料中任一者之間的結(jié)合強度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括修整所述耐腐蝕覆層(44)以限定其外表面(48)，其中所述外表面(48)基本上是平坦的。
7.一種形成位置測量系統(tǒng)(10)的方法，所述方法包括 加工基底(12)的表面(20)以在所述表面(20)中限定出多個凹槽(22)，其中所述基底(12)由第一磁性材料形成并為具有縱向軸線(14)的圓柱形桿，并且其中所述多個凹槽(22)中的每一個都沿所述縱向軸線(14)與所述多個凹槽(22)中相鄰的一個間隔開； 使所述表面(20)在所述多個凹槽(22)中的每一個內(nèi)熔化，由此使所述多個凹槽(22)沿所述縱向軸線(14)均勻地分布； 在熔化的同時將第二非磁性材料沉積到所述多個凹槽(22)中的每一個內(nèi)，由此形成所述第一磁性材料與所述第二非磁性材料的多種相應(yīng)的混合物； 使所述多種相應(yīng)混合物固化，以形成可與所述第一磁性材料區(qū)分并與所述第一磁性材料冶金地結(jié)合的非磁性指示材料(42)；以及 將非磁性合金沉積到所述基底(12)上以形成覆蓋所述非磁性指示材料(42)和所述表面(20)并與所述非磁性指示材料(42)和所述表面(20)冶金地結(jié)合的耐腐蝕覆層(44)，由此形成所述位置測量系統(tǒng)(10)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括提高所述耐腐蝕覆層(44)與所述非磁性指示材料(42)和所述第一磁性材料中任一者之間的結(jié)合強度。
9.一種位置測量系統(tǒng)(10)，包括基底(12 )，所述基底(12)由第一材料形成并具有一表面(20 )，在所述表面(20 )中限定有至少一個凹槽(22)； 布置在所述至少一個凹槽(22)內(nèi)的指示材料(42)，其中所述指示材料(42)由第一材料與第二材料的混合物形成，并可與所述第一材料相區(qū)分并與所述第一材料冶金地結(jié)合；以及 耐腐蝕覆層(44)，所述耐腐蝕覆層(44)由合金形成并且布置在所述基底(12)上以便覆蓋所述指示材料(42 )和所述表面(20 )。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，所述耐腐蝕覆層(44)以大于約70MPa的結(jié)合強度與所述指示材料(42)和所述表面(20)中任一者冶金地結(jié)合。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，所述至少一個凹槽(22)為V形并限定具有從約0. 3mm至約0. 7mm的半徑的基本上圓形的頂部(24)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，所述第一材料是磁性的并且所述耐腐蝕覆層(44)和所述指示材料(42)均是非磁性的。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，所述基底(12)是具有縱向軸線(14)的圓柱形桿。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，在所述表面(20)中限定有沿所述縱向軸線(14)均勻地分布的多個凹槽(22)，并且其中所述多個凹槽(22)中的每一個都布置成基本上垂直于所述縱向軸線(14)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的位置測量系統(tǒng)(10)，其中，所述多個凹槽(22)中的每一個都以約0. 09mm至約I. 3mm的深度(32)從所述表面(20)延伸到所述基底(12)內(nèi)并具有從約I. 9mm至約2. Imm的凹槽寬度(34)，并且其中兩個相鄰的凹槽(22)之間限定具有從約1. 9mm至約2. Imm的間隙寬度(38 )的間隙(36 )。
全文摘要
一種形成位置測量系統(tǒng)(10)的方法包括使由第一材料形成的基底(12)的表面(20)熔化，其中在所述表面(20)中限定有至少一個凹槽(22)，并且其中所述表面(20)在所述至少一個凹槽(22)內(nèi)熔化。所述方法還包括在熔化的同時將第二材料沉積到所述至少一個凹槽(22)內(nèi)，以形成所述第一材料與所述第二材料的混合物。所述方法還包括使所述混合物固化以形成可與所述第一材料相區(qū)分并與所述第一材料冶金地結(jié)合的指示材料(42)，并且將合金沉積到所述基底(12)上以形成覆蓋所述指示材料(42)和所述表面(20)的耐腐蝕覆層(44)，由此形成所述位置測量系統(tǒng)(10)。本發(fā)明還公開了一種位置測量系統(tǒng)(10)。
文檔編號F15B15/28GK102803749SQ201180014234
公開日2012年11月28日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者M·L·基利安, A·艾哈邁德, C·B·希格登, J·特魯博洛斯基 申請人:伊頓公司