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1、(10)申请公布号 CN 102888602 A (43)申请公布日 2013.01.23 CN 102888602 A *CN102888602A* (21)申请号 201210433832.3 (22)申请日 2012.11.04 C23C 24/10(2006.01) (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长春市前进大街 2699 号 (72)发明人 张成春 韩志武 张春艳 董立春 高科 王晶 (74)专利代理机构 长春吉大专利代理有限责任 公司 22201 代理人 邵铭康 朱世林 (54) 发明名称 提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法 (57) 摘要 提高液动冲击锤耐冲。
2、蚀磨损的仿生学方法属 冲蚀磨损技术领域， 本发明包括 ： 确定上活塞外 表面和下缸套内表面为激光表面合金化处理的位 置和区域 ； 上活塞合金层条纹弧长与上活塞直径 之比和下缸套合金层条纹弧长与下缸套直径之比 均为0.10.3， 上活塞母材条纹弧长与上活塞合 金层条纹弧长之比、 下缸套母材条纹弧长与下缸 套合金层弧长之比均为0.51 ； 对所确定的待进 行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金 化处理， 使其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的 结构 ； 采用本发明能使液动冲击锤中的上活塞和 下缸套耐磨性明显提高， 且锰元素易获得， 仿生激 光合金化处理简单易行。 (51)Int.Cl. 权利要求书。
3、 1 页 说明书 2 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 2 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法， 其特征在于包括下列步骤 ： 1) 将液动冲击锤中易损部件 - 上活塞 (1) 和下缸套 (2) 作为实施激光表面合金化处 理的对象 ； 2) 确定上活塞 (1) 和下缸套 (2) 待进行激光表面合金化处理的位置和区域 ： 具体位置 为上活塞 (1) 的外表面和下缸套 (2) 的内表面， 上活塞 (1) 的外表面和下缸套 (2) 的内表 面待进行激光表面合金化处理的区域为合金层区域，。
4、 合金层区域呈条纹状， 且与活塞运动 方向一致 ； 上活塞合金层条纹弧长 l1与上活塞直径 d 之比 l1/d 和下缸套合金层条纹弧长 L1与下缸套直径 D 之比 L1/D 均为 0.1 0.3， 上活塞母材条纹弧长 l2与上活塞合金层条纹 弧长 l1之比 l2/l1和下缸套母材条纹弧长 L2与下缸套合金层弧长 L1之比 L2/L1均为 0.5 1 ； 3) 对步骤 2) 确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理， 使 其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构， 具体包括下列步骤 ： 3.1 制备合金涂敷粉末 ： 选用粘结效果好、 激光照射后易气化、 不影响合金层形成和合 金层性。
5、能的有机粘合剂， 将金属锰粉与有机粘合剂调制成均匀的膏状合金涂敷粉末 ； 3.2 制定合金涂敷粉末添加方式 ： 将步骤 3.1 制备的膏状合金涂敷粉末预涂于步骤 2) 确定的上活塞 (1) 和下缸套 (2) 待进行激光表面合金化处理的位置和区域 ； 3.3激光器选择和激光束参数 ： 选用10kW CO2激光器作为激光光源， 待膏状合金涂敷粉 末预涂层干燥后， 用功率为0.110kW、 光斑直径为15mm、 激光扫描速率为0.550mm/ s 的激光束进行处理 ； 3.4 激光器处理过程 ： 激光处理过程中用氩气进行侧吹保护。 权 利 要 求 书 CN 102888602 A 2 1/2 页 3。
6、 提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法 技术领域 0001 本发明属冲蚀磨损技术领域， 具体涉及一种根据仿生学原理提高液动冲击锤的耐 冲蚀磨损性能的方法。 背景技术 0002 目前， 液动冲击锤是石油、 天然气及地热钻探等领域提高钻探效率主要工作部件， 在油气钻探行业广泛应用。 0003 液动冲击锤在泥浆环境下工作时， 泥浆中的固体颗粒会对液动冲击锤内部的各密 封运动部位产生磨损和卡阻。 通过增大密封副螺旋槽的尺寸、 适当增加了活塞的配合间隙， 可在一定程度上解决阻卡问题， 但固体颗粒就会进入到活塞缸套的配合面， 使得活塞缸套 磨蚀严重， 大大降低了液动冲击锤活塞的使用寿命。 因此， 研究液动。
7、冲击锤活塞缸套的耐冲 蚀磨损技术， 是提高液动冲击锤使用寿命， 提高钻探效率的关键。 发明内容 0004 本发明的目的是提出一种提高液动冲击锤关键部件耐冲蚀磨损的仿生学方法， 有 效提高活塞缸套的耐冲蚀磨损性能。 0005 为达到以上发明目的， 本发明采用如下技术方案实现 ： 0006 提高液动冲击锤耐冲蚀磨损的仿生学方法包括下列步骤 ： 0007 1将液动冲击锤中易损部件 - 上活塞 1 和下缸套 2 作为实施激光表面合金化处 理的对象 ； 0008 2确定上活塞 1 和下缸套 2 待进行激光表面合金化处理的位置和区域 ： 具体位置 为上活塞 1 的外表面和下缸套 2 的内表面， 上活塞 1。
8、 的外表面和下缸套 2 的内表面待进行 激光表面合金化处理的区域为合金层区域， 合金层区域呈条纹状， 且与活塞运动方向一致 ； 上活塞合金层条纹弧长 l1与上活塞直径 d 之比 l1/d 和下缸套合金层条纹弧长 L1与下缸套 直径 D 之比 L1/D 均为 0.1 0.3， 上活塞母材条纹弧长 l2与上活塞合金层条纹弧长 l1之比 l2/l1、 下缸套母材条纹弧长 L2与下缸套合金层弧长 L1之比 L2/L1均为 0.5 1 ； 0009 3对步骤 2 确定的待进行激光表面合金化处理的区域进行激光表面合金化处理， 使其表面呈现类似毛蚶表面软硬相间的结构， 具体包括下列步骤 ： 0010 3.1。
9、 制备合金涂敷粉末 ： 选用粘结效果好、 激光照射后易气化、 不影响合金层形成 和合金层性能的有机粘合剂， 将金属锰粉与有机粘合剂调制成均匀的膏状合金涂敷粉末 ； 0011 3.2 制定合金涂敷粉末添加方式 ： 将步骤 3.1 制备的膏状合金涂敷粉末预涂于步 骤 2 确定的上活塞 1 和下缸套 2 待进行激光表面合金化处理的位置和区域 ； 0012 3.3激光器选择和激光束参数 ： 选用10kW CO2激光器作为激光光源， 待膏状合金涂 敷粉末预涂层干燥后， 用功率为 0.1 10kW、 光斑直径为 1 5mm、 激光扫描速率为 0.5 50mm/s 的激光束进行处理 ； 0013 3.4 激。
10、光器处理过程 ： 激光处理过程中用氩气进行侧吹保护。 说 明 书 CN 102888602 A 3 2/2 页 4 0014 本发明提出的仿生液动冲击锤耐冲蚀磨损方法， 是根据毛蚶耐冲蚀磨损特性， 模 仿其外壳软硬相间的表面结构， 利用激光合金化技术在液动冲击锤活塞及缸套表面制备仿 生耐冲蚀表面， 即母材条纹 b 与合金层条纹 a 呈软硬相间的分布。 0015 本发明的有益效果在于 ： 0016 1. 采用本发明使液动冲击锤中的易磨损件 - 上活塞和下缸套经激光合金化处理 后形成的仿生表面具有软硬相间的特性， 其中的硬质合金层能有效地阻止泥沙对壁面造成 大面积的冲蚀损坏， 母材由于硬度较小会率。
11、先磨损形成沟槽， 这种沟槽对泥浆颗粒起到导 流作用， 进一步减小了配合面的磨损， 故能使上活塞和下缸套的耐磨性明显提高。 0017 2. 锰元素易于获得， 仿生激光合金化处理简单易行。 附图说明 0018 图 1 为液动冲击锤中上活塞的结构示意图 0019 图 2 为液动冲击锤中下缸套的结构示意图 0020 图 1 与图 2 中 ： 1. 上活塞， 2. 下缸套， a. 合金层条纹， b. 母材条纹， l1- 上活塞合 金层条纹弧长， l2- 上活塞母材条纹弧长， d- 上活塞直径， L1- 下缸套合金层条纹弧长， L2- 下 缸套母材条纹弧长， D- 下缸套直径 0021 图 3 为母材微观。
12、组织金相照片 0022 图 4 为激光加工后合金层微观组织金相照片 具体实施方式 0023 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。 0024 本实例的一个具体实施方式为 ： 0025 确定上活塞 1 和下缸套 2 待进行激光表面合金化处理的位置和区域 ： 具体位置为 上活塞 1 的外表面和下缸套 2 的内表面， 上活塞 1 的外表面和下缸套 2 的内表面待进行激 光表面合金化处理的区域为合金层区域， 合金层区域呈条纹状， 且与活塞运动方向一致 ； 上 活塞合金层条纹弧长 l1与上活塞直径 d 之比 l1/d 和下缸套合金层条纹弧长 L1与下缸套直 径 D 之比 L1/D 均为 0.1。
13、 0.3， 上活塞母材条纹弧长 l2与上活塞合金层条纹弧长 l1之比 l2/l1和下缸套母材条纹弧长 L2与下缸套合金层弧长 L1之比 L2/L1均为 0.5 1 ； 0026 由图 3、 4 对比知， 上活塞 1 和下缸套 2 经仿生激光表面合金化处理以后， 合金层的 微观组织较基体明显细化， 组织更加均匀， 硬度明显提高， 故母材与合金层就形成了软硬相 间的结构。 此结构中的硬质合金层可直接阻止磨损扩散 ； 母材较软部位率先磨损形成沟槽， 还易于泥沙排出， 减小磨损。经试验， 在不同的泥浆环境下， 与激光表面合金化处理之前相 比， 上活塞 1 和下缸套 2 寿命提高 20 50。 说 明 书 CN 102888602 A 4 1/2 页 5 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102888602 A 5 2/2 页 6 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102888602 A 6 。