膨脹錐鋼表面等離子原位冶金強化層研究*

任勇強，劉雨薇，崔 哲，張 毅，郭旭東，劉 洋，楊丹妮

(1.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司 井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552；2.中國石油華北油田公司 第四采油廠，河北 廊坊 065000)

隨著我國陸上油氣田開發(fā)時間的延長，套管的腐蝕、穿孔和錯斷等問題日益嚴(yán)重，并成為影響油氣生產(chǎn)的重要因素之一[1-3]。膨脹管補貼技術(shù)是目前我國的石油鉆采領(lǐng)域中較常用的一種套損修復(fù)方式[4-6]，近年來獲得了廣泛應(yīng)用。作為主要膨脹擴徑部件的膨脹錐一般由Cr12MoV鋼經(jīng)淬火+低溫回火制作而成。在膨脹管施工作業(yè)過程中，因其與膨脹管管體之間的作用方式主要為滑動摩擦，盡管使用了潤滑油、減阻劑等措施，但仍無法有效地解決膨脹錐的磨損問題，以及在膨脹施工過程中，在管內(nèi)高壓流體的作用下，會出現(xiàn)因膨脹錐刺漏而引發(fā)的施工失敗等問題。此外，淬火+回火的熱處理工藝還存在工藝相對復(fù)雜、加工時間長和成本較高等問題。如何提高膨脹錐的抗磨性能以及降本增效成為目前亟待解決的問題。

高能等離子束流表面處理是近些年來興起的一種較為常用的表面強化技術(shù)，該類技術(shù)能夠以較低的成本在工件的表面獲得高性能的強化層，在礦山、冶金以及石油鉆采等諸多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用[7-14]。其中，表面原位冶金的工藝方法為采用高能量密度的等離子束作為工件表層快速冶煉的熱源，將滿足工件表層特定性能設(shè)計的預(yù)制合金在工件的表面進(jìn)行快速、均勻的冶煉，從而在工件表層快速形成厚度可控且具有特定成分與性能梯度的合金化層[15]。

本文采用等離子束表面多道搭接的原位冶金技術(shù)，在膨脹錐用20CrMnTi低合金鋼基體表面上制備出Cr-Mn-Fe復(fù)合強化層，對其組織和性能進(jìn)行研究。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為與低合金膨脹錐鋼的材質(zhì)相同的正火態(tài)的20CrMnTi鋼板材，其原始組織為鐵素體和珠光體(見圖1)，化學(xué)成分見表1。

圖1 20CrMnTi鋼基體組織

表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

預(yù)涂合金粉末為鐵基高鉻、高錳合金粉末，成分見表2，粉末粒度為104～178 μm，純度>99%。選擇該類合金粉末的原因在于，較高的鐵、錳含量使得熔融后的合金粉末與鋼基體具有良好的浸潤性，高的鉻含量又使得最終的冶金強化層具有較高的耐磨性[16]。

表2 等離子束表面冶金合金粉末的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 試驗方法

將相關(guān)合金粉末與粘結(jié)劑混合均勻后，按設(shè)定厚度涂覆于20CrMnTi鋼板材表面，采用高能密度等離子束作為熱源，對預(yù)涂合金粉末層和工件表面進(jìn)行快速掃描，使之熔融并部分結(jié)合。等離子表面原位冶金過程中采用氬氣保護(hù)，等離子束斑直徑約為4.5 mm，等離子炬行走速度為3 mm/s，相鄰各道次等離子束斑之間的搭接率為20%。掃描完成后，通過基材的自冷卻作用使熔融的合金化層迅速凝固，以達(dá)到表面強化的目的。

沿掃描完之后的樣品外壁垂直截面切取合金化層，并制得金相試樣。經(jīng)王水深度腐蝕后，采用OLYMPUS BX51M型金相顯微鏡(OM)觀察分析合金層的顯微組織；利用DMAX—RB 12kV旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(XRD)分析等離子合金層的物相；用HVS1000型顯微硬度計測量從合金層表面到20CrMnTi鋼板基體的顯微硬度(砝碼載荷為50 g)。采用線切割在等離子束原位冶金處理，處理前后的樣品外壁切取磨損試樣，經(jīng)精磨(保留大部分的合金層)后，獲得6 mm×25 mm×56 mm的磨損試樣。由M—2000型磨損試驗機(對磨輪外徑為76 mm)進(jìn)行干磨試驗，磨料選取粒度為212～270 μm的石英砂。各試樣先在法向載荷為100 N、轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下進(jìn)行1 000 r跑合，使各試樣磨損面有相同的磨損條件后再進(jìn)行正式磨損測試。磨損測試在法向載荷為100 N、轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下進(jìn)行2 000 r的磨損后，用感量為1×10-4g的電子天平稱取試樣經(jīng)磨損后的余重。用相同條件下的磨損失重作為評價合金層試樣與原始20CrMnTi鋼試樣耐磨性優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

經(jīng)等離子束原位冶金處理后，20CrMnTi鋼強化層、結(jié)合界面區(qū)及鄰近合金層熱影響區(qū)的微觀組織形貌如圖2所示，其中，圖2a、圖2b的試樣為王水侵蝕處理，圖2c的試樣為4%硝酸乙醇溶液侵蝕所得。

圖2 金相組織

由圖2a可見，等離子束合金化層大致可分為內(nèi)、外合金層2個部分：外合金層的微觀組織多呈塊狀或板條狀，寬度尺寸大多在25 μm以上，相對比較粗大；而內(nèi)合金層的微觀組織則多呈粒狀且細(xì)小，長寬尺寸普遍在5 μm以下。這可能與內(nèi)、外合金層熱量傳導(dǎo)的快慢有關(guān)系，經(jīng)高能等離子束掃描處理后，貼近20CrMnTi鋼基體的內(nèi)合金層的熱量更容易通過20CrMnTi鋼基體傳導(dǎo)和發(fā)散出去；而遠(yuǎn)離鋼基體的外合金層因暴露在空氣中，只能靠空氣來進(jìn)行散熱，這使得前者的冷卻速度要遠(yuǎn)高于后者，從而在快速冷卻下內(nèi)合金層組織更容易被細(xì)化，獲得更加細(xì)小的晶粒組織。結(jié)合陸峰[17]等對相似成分的等離子表面冶金層的研究可知，該塊狀或板條狀的粗大組織有可能是M7C3等的復(fù)雜金屬間化合物與奧氏體的共晶組織，該共晶組織在枝晶間互相聯(lián)接，構(gòu)成條束狀的斷續(xù)網(wǎng)格。由圖2c可見，受合金熔池的影響，靠近合金層的部分基材組織變?yōu)獒槧铖R氏體組織，內(nèi)合金層與基體組織的結(jié)合界面浸潤性良好，過渡平滑，實現(xiàn)了冶金結(jié)合。這使得合金層與基體組織之間具備了牢固的結(jié)合力，為保證良好的服役性能打下了基礎(chǔ)。

原位冶金層外合金層組織測得的XRD譜如圖3所示。通過與標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射卡片進(jìn)行比對可知，該合金層中可能存在的物相與γ-Fe和(Cr,Fe)7C3較為吻合。結(jié)合前人的研究[18]推知，外合金層實際可能由固溶了鉻、錳的γ-Fe，以及 (Cr, Fe)7(C,B)3碳化物硬質(zhì)相構(gòu)成。γ-(Fe，Cr, Mn)的固溶強化及作為骨架的(Cr, Fe)7(C,B)3高硬度析出相的彌散強化在很大程度上保證了合金層的高硬度。

圖3 原位冶金層外合金層的XRD譜

2.2 表面合金層硬度與磨損性能

合金層的硬度與耐磨性有著重要的關(guān)系，材料表面的硬度越高，則抵抗磨粒切入表層的能力越強，服役過程中磨料去除表面材料的體積越少，材料的耐磨性越好[19]。圖4給出了從外合金層到基體組織的顯微硬度曲線。由圖4可見，從外合金層表面到20CrMnTi鋼基體，硬度大致呈現(xiàn)出梯度分布的特征?；w硬度較低，其顯微硬度大致為240～340 HV0.05；合金層的硬度要明顯高過基體，外合金層的硬度都高于700 HV0.05，內(nèi)合金層硬度也多在450 HV0.05以上。此外硬度的最高值出現(xiàn)在合金層的亞表層，達(dá)到952 HV0.05，其原因可能是合金層最表層受等離子束的作用時間較長，導(dǎo)致部分元素?zé)龘p或燒蝕所致。由于在合金層中部碳化物(Cr, Fe)7(C,B)3分布相對均勻，因此硬度出現(xiàn)一定的平臺。由圖4還可以看出，外合金層的顯微硬度相對于內(nèi)合金層硬度高出很多，其原因可能是在高能等離子束的照射下，基體組織發(fā)生了熔融并和預(yù)涂的合金元素發(fā)生了融合，在基體成分的稀釋作用下，該合金層的(Cr, Fe)7(C,B)3碳化物含量下降，而使得硬度顯著下降。

圖4 合金層及基體組織的顯微硬度

綜上所述，該等離子束合金層的顯微硬度梯度逐次下降且分布合理，使得合金層在保持高硬度的前提下與基體實現(xiàn)了牢固結(jié)合，有利于在服役過程中發(fā)揮合金層的抗磨蝕作用。

將合金粉末在等離子束掃描作用下所得的合金層試樣與普通20CrMnTi鋼試樣在同樣條件下進(jìn)行磨粒磨損試驗，并比較其耐磨性，試驗結(jié)果見表3。

表3 常溫干滑動磨損條件下等離子強化層與

由表3可知，合金層的磨損率為0.031 mg/n，20CrMnTi鋼的磨損率為0.383 mg/n，冶金層的相對耐磨性εW=ΔW20CrMnTi鋼/ΔW合金層=766.5/62.3=12.3。合金層的相對耐磨性較20CrMnTi鋼提高了12.3倍。

3 結(jié)語

通過上述研究，得出結(jié)論如下。

1)采用等離子原位冶金技術(shù)，在20CrMnTi鋼的基體表面獲得了高Cr-Mn-Fe合金強化層，其中的內(nèi)合金層與基體組織的結(jié)合界面浸潤性良好，過渡平滑，實現(xiàn)了冶金結(jié)合。

2)γ-(Fe，Cr, Mn)的固溶強化及作為骨架的(Cr, Fe)7(C,B)3高硬度析出相的彌散強化是合金層具有較高的硬度和良好耐磨性的重要前提。

3)該合金強化層硬度高達(dá)952 HV0.05，明顯高過基體的20CrMnTi鋼；同時又具有優(yōu)良的耐磨性能，其相對耐磨性為20CrMnTi鋼的12.3倍，具有明顯的經(jīng)濟效益。