激光熔覆鎳包石墨涂層技術(shù)在微球微電極井徑組合測(cè)井儀上的應(yīng)用

孫東利 趙廣平 朱 鐵 幸奠瓊

（大慶油田鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶）

0 引言

大慶油田測(cè)井作業(yè)使用的微球微電極井徑組合測(cè)井儀經(jīng)過(guò)多年的使用，工作性能穩(wěn)定、測(cè)井曲線良好、故障率較低，是一款可靠性較高、性價(jià)比良好的測(cè)井儀器。但隨著初批儀器的使用壽命已經(jīng)過(guò)半（投產(chǎn)到達(dá)5年以上，年測(cè)井?dāng)?shù)100口以上），其測(cè)量品質(zhì)開(kāi)始下降。同時(shí)儀修人員在該儀器檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些不足，電位器使用壽命短，電位器換裝工作量大、維修時(shí)間長(zhǎng)等。

1 現(xiàn)有微球微電極井徑組合測(cè)井儀

1.1 生產(chǎn)、檢修過(guò)程中的問(wèn)題

1）電位器使用壽命下降

隨著投產(chǎn)儀器的長(zhǎng)時(shí)間、高工作量使用，發(fā)現(xiàn)電位器的使用壽命隨著儀器投產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)而有所下降，經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)電位器所在的硅油保護(hù)艙的污染問(wèn)題嚴(yán)重導(dǎo)致電位器使用壽命下降，究其原因判斷彈簧盒活塞桿通孔磨損大是該問(wèn)題的根源所在。

2）更換電位器過(guò)程繁瑣、工作量較大

在對(duì)該儀器的維修中，如更換電位器時(shí)需要將儀器彈簧盒前端所有艙室全部拆卸后方可更換電位器，同時(shí)更換電位器后調(diào)試儀器還需將各部分全部安裝回原位，如遇到調(diào)試問(wèn)題，需再將所有部件拆卸進(jìn)行二次調(diào)試。這些導(dǎo)致更換電位器維修過(guò)程繁瑣、工作量較大、維修時(shí)間長(zhǎng)。

1.2 問(wèn)題分析

1）彈簧盒活塞桿通孔問(wèn)題分析

（1）現(xiàn)有彈簧盒的活塞桿通孔與彈簧盒主體鋼性連接，一旦其磨損只能通過(guò)替換整個(gè)主體來(lái)解決，替換成本較高，工作量大。

（2）現(xiàn)有彈簧盒主體材料TC4合金，其機(jī)械、化學(xué)性能優(yōu)良，非常適合彈簧盒的功能技術(shù)要求，但TC4合金的抗磨損能力在彈簧盒的技術(shù)功能要求上不是盡善盡美（活塞桿通孔在作業(yè)中與活塞桿高負(fù)荷滑動(dòng)摩擦），使其在本身使用壽命上不能再度提高。

2）彈簧盒材料工藝革新

針對(duì)TC4合金材料自身無(wú)法再提高耐磨性的客觀條件，技術(shù)人員另辟蹊徑，使用新的工藝技術(shù)（TC4合金表面激光熔覆鎳包石墨涂層），經(jīng)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)工藝后材料性能完全滿足功能要求。經(jīng)處理后的TC4合金材料，其基體在仍然保持原有良好的機(jī)械、化學(xué)性能（結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗化學(xué)腐蝕能力等）的基礎(chǔ)上，涂層與原表面比較，其剛度、強(qiáng)度、硬度、耐磨性都大幅度提高。

2 激光熔覆鎳包石墨涂層技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 激光熔覆技術(shù)

自20世紀(jì)70年代中葉大功率激光器問(wèn)世并投入工業(yè)使用以來(lái)，激光技術(shù)得到了迅速發(fā)展，為材料表面改性技術(shù)提供了一種新的有效手段。激光熔覆技術(shù)是指以不同的添料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基底表面一薄層同時(shí)融化，并快速凝固后形成稀釋度極低、與基底材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基底材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的工藝方法。其工藝方式如圖1所示。

圖1 預(yù)涂式激光熔覆工藝簡(jiǎn)圖

2.2 鎳包石墨涂層的材料組成

鎳包石墨粉的化學(xué)成分為80%Ni和20%C。鎳包石墨粉末的尺寸范圍為40m～100m，形貌和X射線衍射圖譜如圖2和圖3所示。

圖2 鎳包石墨粉末的形貌照片

圖3 鎳包石墨粉末顆粒金相照片

2.3 鎳包石墨涂層的金相分析、磨損機(jī)理

圖4中給出了TC4合金表面激光熔覆鎳包石墨圖層層深方向的限位硬度分布曲線。可見(jiàn)，激光熔覆表面沿層深方向的硬度分布顯示三個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)熔覆區(qū)（CZ）、結(jié)合區(qū)（BZ）、和基底熱影響區(qū)（HAZ）。熔覆區(qū)的顯微硬度在HV1000～HV1050之間；結(jié)合區(qū)尺寸較小，硬度值在HV700～HV900之間；基底熱影響區(qū)沿涂層層深方向的長(zhǎng)度大約為0.4mm～0.9mm之間，由于形成了馬氏體組織，硬度在HV380～HV420之間，比TC4基底材料硬度（HV330～HV340）有所提高。由數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，硬度由熔覆區(qū)到熱影響區(qū)呈階梯狀降低，激光熔覆區(qū)的硬度比鈦合金基體硬度（HV320～HV340）提高到2～3倍。這是由于鎳包石墨熔覆區(qū)中原位反應(yīng)生成的大量的碳化物增強(qiáng)所致，導(dǎo)致涂層硬度提高。

鎳包石墨激光涂層的組織由Ni4Ti3、Ti、TiC、和Ni3（AlTi）等相組成，形成以Ti為基體，以NI4Ti3、TiC和Ni3（AlTi）等為增強(qiáng)相的鈦基復(fù)合材料涂層。

圖4 鎳包石墨激光涂層顯微硬度沿層深方向分布曲線

2.4 鎳包石墨涂層與TC4的耐磨損能力對(duì)比結(jié)論

圖5示出在滑動(dòng)距離為100m條件下，TC4合金和鎳包石墨噴涂層兩種材料的摩擦系數(shù)和滑動(dòng)距離的關(guān)系曲線，由圖可以看出，在起始階段摩擦系數(shù)較小，隨著磨損的進(jìn)行，摩擦系數(shù)逐漸增大，經(jīng)過(guò)一段預(yù)磨期后，曲線逐漸平穩(wěn)。這是由于在摩擦初始階段，TC4合金的表面粗糙度很小，因而摩擦系數(shù)較小。隨著磨損的進(jìn)行，兩個(gè)對(duì)磨面的粗糙度逐漸加大，摩擦系數(shù)隨之增大。經(jīng)過(guò)一定階段的預(yù)磨期后，兩個(gè)對(duì)磨面的粗糙度不再增大，摩擦進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定階段，摩擦系數(shù)波動(dòng)很小。由于鎳包石墨涂層中含有石墨顆粒，它使兩個(gè)對(duì)磨面始終處于穩(wěn)定摩擦狀態(tài)。

圖5 TC4合金和激光涂層摩擦系數(shù)與滑動(dòng)距離的關(guān)系曲線

在穩(wěn)定磨損階段，TC4合金與鎳包石墨噴涂層的平均摩擦系數(shù)分別為0.53左右和0.28左右，后者約為前者的1/2。經(jīng)過(guò)100 m滑動(dòng)距離后，TC4合金的磨損量為11.5 mg，鎳包石墨噴涂層的磨損量為1.8 mg，后者約為前者的1/6。鎳包石墨噴涂層的摩擦系數(shù)和磨損量均大大小于TC4合金。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新工藝技術(shù)的使用，與儀器原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)證明改進(jìn)技術(shù)解決了微球微電極井徑組合測(cè)井儀在生產(chǎn)中暴露出的問(wèn)題，有效地提高了測(cè)井作業(yè)效率，減少了維修時(shí)間，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)了儀器的使用壽命，提升了儀器的維護(hù)效費(fèi)比。

[1]大連環(huán)海.微球微電極井徑組合測(cè)井儀使用維修手冊(cè).2009（資料）

[2]黃尚猛，李華川.激光熔覆技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用及其發(fā)展[J].2007，35（6）

[3]楊勝群，孟慶武，耿 林，等.鈦合金表面鎳包石墨噴涂層的耐磨性能[J].宇航材料工藝，2007，37（3）