面向无磁钻具表面强化的Ni60合金激光熔覆工艺研究

面向无磁钻具表面强化的Ni60合金激光熔覆工艺研究

孙国新

天津守正科技有限公司

摘要无磁钻具材料使用316L不锈钢，通过在其表面激光熔覆高硬质合金可以有效提高其耐磨耐蚀性。本研究采用激光同轴送粉技术，在316L不锈钢表面熔覆Ni60合金粉末。研究中以激光功率、扫描速度和送粉速率为主要影响因素，进行激光熔覆正交试验。试验结果表明，通过综合加权赋分法优化的3组工艺参数可以有效控制裂纹的产生，并在50%搭接率下实现单层多道熔覆。最终得出适用于无磁钻具的最佳工艺参数，为后续摩擦磨损性能研究奠定基础。

关键词：无磁钻具；表面强化；Ni60合金激光熔覆

1引言

无磁钻具在近钻头随钻测量仪器中扮演重要角色，因其内部电子元件对磁场敏感而使用316L不锈钢。然而，在高温、高压和高硬地质环境下，316L不锈钢的耐磨性和耐蚀性较差，导致钻具表面易损。因此，对无磁钻具表面进行防磨处理具有重要意义。

2实验

为提高无磁钻具表面的耐磨性和耐蚀性，本文研究了激光同轴送粉技术在316L不锈钢表面熔覆Ni60合金粉末的工艺。该工艺利用激光的高能量密度和精确控制，实现了合金粉末在基材表面的均匀分布和熔融。实验平台包括KUKA六轴机械臂和LDF-3000-60型半导体激光器，能够实现高精度的工艺控制。316L不锈钢被选作基材，其尺寸为200mm×100mm×10mm，这种材料在无磁钻具中应用广泛，但其耐磨性和耐蚀性相对较差，因此需要进行表面强化。

实验设计中，主要考虑了激光功率、扫描速度和送粉速率三种参数的影响。每个参数设置了四个水平，分别是激光功率1400W、1600W、1800W和2000W；扫描速度设定为3mm/s、4mm/s、5mm/s和6mm/s；送粉速率分别为0.4r/min、0.6r/min、0.8r/min和1.0r/min。通过这些参数的组合，设计了16组正交试验，目的是优化熔覆工艺参数，减少熔覆层中的裂纹，提高熔覆层的硬度和附着力。

试验过程中，利用裂纹探伤检测技术对每组熔覆层进行裂纹检测，以确保熔覆层的完整性。检测结果显示，有8组熔覆层在特定参数组合下无裂纹生成。这8组无裂纹的熔覆层随后通过显微硬度测试进行进一步的性能评估。显微硬度测试有助于确定熔覆层的硬度分布和均匀性，这是评价熔覆质量的关键指标之一。

为了进一步优化工艺参数，研究中采用了综合加权赋分法，对无裂纹熔覆层的各项质量指标进行综合评分。综合评分考虑了硬度、稀释率和成形系数等多个因素，每个因素按重要性赋予不同权重，从而确定最佳的工艺参数组合。最终，在这些优化参数的指导下，进行了单层多道熔覆试验，验证了工艺的稳定性和可重复性。

3结果与分析

通过裂纹探伤和显微硬度测试，我们可以获得Ni60合金熔覆层的详细硬度范围以及基体材料的硬度。这些数据对于评估熔覆工艺的效果至关重要。在测试中，Ni60合金熔覆层的硬度范围为528-788HV，这表明合金层具有较高的硬度和良好的耐磨性。相较之下，基体材料316L不锈钢的硬度范围仅为205-232HV，这进一步凸显了熔覆层对基体材料表面性能的显著提升。

在综合加权得分的分析中，考虑了多个质量评价指标，如显微硬度、稀释率和成形系数。根据这些指标的综合评分，我们发现A5、A9和A1三组熔覆层表现尤为优异。具体来说，这些组别的熔覆层不仅硬度较高，而且稀释率适中，成形系数良好，显示出优异的表面质量和结构完整性。这些特性使得它们在进一步的单层多道熔覆试验中被选作优选工艺参数组。

在随后的单层多道熔覆试验中，我们使用了这些优选参数组，进一步验证其性能。在实验中，编号为G1、G2和G3的三组熔覆层被制备出来，并进行了全面的性能测试。测试结果显示，G2组的熔覆层表现最佳。其主要特点包括熔覆层厚度在2.0-2.5mm之间，显著提高了材料的耐磨损能力。此外，G2组的熔覆层硬度达到了55-60HRC，这与Ni60合金的高硬度特性一致，使其非常适合用于无磁钻具等高强度、高耐磨的应用环境。

3.1不锈钢化学成分表

显示了316L不锈钢中各元素的百分比含量，包括碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、镍(Ni)、铬(Cr)、钼(Mo)、硫(S)和铁(Fe)。这些数据对于了解基体材料的基本性能至关重要。

3.2Ni60合金粉末化学成分表

列出了Ni60合金粉末的主要化学成分，包括碳(C)、硅(Si)、铁(Fe)、硼(B)、铬(Cr)和镍(Ni)。这些成分赋予Ni60合金高硬度和耐磨性能。

3.3正交试验参数表

列出了16组不同的激光熔覆工艺参数，包括激光功率(P)、扫描速度(Vs)和送粉速率(Vt)。这些参数是影响熔覆层质量的关键因素。

通过这些详尽的表格数据和实验结果的讨论，本文为Ni60合金激光熔覆工艺的优化提供了科学依据，有助于在工业应用中更好地选择合适的工艺参数。

4.结论

通过实验和分析，最终确定了适用于无磁钻具的最佳激光熔覆工艺参数：激光功率1600W，扫描速度3mm/s，送粉速率0.6r/min，搭接率50%。这些参数下制备的Ni60合金涂层具备优异的耐磨性和耐蚀性，为无磁钻具的服役提供了可靠的表面保护。

参考文献

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