耐磨金属材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于金属表面处理和耐磨金属材料领域，涉及一种耐磨金属材料及其制备方法和应用，具体涉及采用激光熔覆技术改善用于油田钻探等磨损强烈的工业领域中的金属材料的耐磨性能。

背景技术：

1、激光熔覆技术作为一种先进的表面处理技术，近年来在提高金属部件的耐磨性方面发挥了重要作用，特别是在钻探等苛刻环境中的应用非常关键。这种技术能够在金属表面沉积涂层，具有极低的稀释率和高精度，这对于需要提高部件耐久性来说至关重要。该技术主要集中于改善包括耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳强度等表面性能。在当今的应用中，激光熔覆技术被认为是修复和提高钻探工具性能的有效方法，尤其是在石油和天然气行业中，这些工具经常面临极端的磨损和腐蚀环境。

2、近期的激光熔覆技术进展主要集中在优化涂层成分、激光功率、光斑大小和材料送进速率等过程参数上，以控制熔覆层的微观结构和性能。例如，提高激光功率可以增加熔覆层的稀释率和改变晶粒结构，这直接影响到材料的耐磨性。研究表明，通过这些参数的优化，可以显著减少表面缺陷，如裂纹和孔洞。使用激光熔覆技术沉积涂层具有实现精确控制、低热影响区和优良冶金结合的优点，这使得技术实施具有高度的可行性。在经济影响方面，实施激光熔覆技术在工业应用中也具有重要意义。通过延长诸如钻头等部件的使用寿命和减少更换频率，企业可以实现显著的成本节约。此外，激光熔覆能够通过修复磨损部件恢复其原始状态而不是更换新件，这支持了通过减少材料浪费来实现可持续性。

3、全球能源需求持续增长，石油和天然气开采行业对高性能钻探设备的需求日益增加。无磁钻铤因其在测量过程中不干扰磁场，是油气勘探的重要工具。传统的无磁钻铤材料虽具有良好的无磁性能，适用于石油勘探中的精准测量，但其在高磨损环境下的耐用性不足，常常需要频繁更换，导致作业成本增加。现有的技术如涂层主要针对常温环境的耐磨性进行改善，然而，其涂层的制备参数和耐磨机理在某些工况下仍有改进空间，也无法满足高温极端环境作业的需要，且生产成本高，不利于推广应用。

4、cn117966149a公开了一种无磁钻铤的激光熔覆表面耐磨强化方法。该方法中使用镍基合金粉末作为熔覆粉末，ni含量高达60％以上，采用的激光熔覆过程复杂，生产成本较高；且该方法所述熔覆层在高温下性能不明确，不能适用于高温环境。cn116240536a公开了一种alcrfemnti高熵合金高温耐磨涂层。该方法中采用高熵合金制备耐磨涂层，虽然能够提高材料在高温下的耐磨性，但其不满足无磁或弱磁性，不能用于无磁钻铤。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有金属材料耐磨性不足的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：第一方面，本发明提供一种耐磨金属材料的制备方法：对金属基体进行表面处理，然后以中熵合金粉末作为熔覆粉末，采用激光熔覆在金属基体表面制备涂层，得到耐磨金属材料。

3、上述制备方法中，所述金属基体为高氮奥氏体钢，其化学成分按质量百分比为：c0.03～0.04％、cr 20.00～20.50％、mn 18.00～19.50％、ni 1.80～2.10％、n 0.60～0.70％、mo0.40～0.50％、al 0.03～0.04％、si 0.30～0.35％，其余为fe及不可避免的杂质。

4、进一步的是，上述高氮奥氏体钢的化学成分按质量百分比为：c 0.04％、cr20.12％、mn19.35％、ni 2.09％、n 0.665％、mo 0.465％、al 0.032％、si 0.332％，其余为fe及不可避免的杂质。

5、上述制备方法中，所述中熵合金粉末为cocrni中熵合金粉末，其化学成分为等原子比的co、cr和ni。

6、进一步的是，化学成分(原子百分比)为co 33.3％，cr 33.3％，ni 33.3％。

7、进一步的是，上述cocrni中熵合金粉末为平均粒径80～100μm的球形粉末。

8、上述制备方法中，所述中熵合金粉末在激光熔覆前进行干燥处理。

9、上述制备方法中，所述涂层在高温下的显微组织为奥氏体，晶体结构为fcc。

10、上述制备方法中，所述表面处理为采用细砂纸对钢材表面进行精细打磨，去除氧化层和杂质，然后进行化学清洗，确保钢材表面无油脂和杂质残留。

11、上述制备方法中，所述激光熔覆在氮气保护气氛中进行，激光熔覆过程利用摄像系统实时监控熔覆质量。

12、进一步的是，激光熔覆工艺为：使用功率为950～980w、光斑直径为5～6mm的半导体激光器，以7～9g/min的速度送粉，扫描速度为90～100mm/min，激光搭接率为40～50％。

13、上述制备方法中，对激光熔覆后的金属材料进行热处理，所述热处理为在1050～1150℃固溶处理1～2h，在550～650℃时效处理2～3h。

14、第二方面，本发明提供采用上述制备方法制得的耐磨金属材料。

15、第三方面，本发明提供采用上述耐磨金属材料制得的无磁钻铤。

16、第四方面，本发明提供上述耐磨金属材料或无磁钻铤在石油工业、采矿业、地质勘探中的应用。

17、本发明的有益效果是：本发明提供一种耐磨金属材料及其制备方法，选用无磁性/弱磁性的高氮奥氏体钢作为金属基材，并在其表面制备cocrni中熵合金涂层。本发明使用了创新的合金组成和激光熔覆参数，增强了涂层的机械性能和耐用性，本发明制备的cocrni中熵合金涂层呈fcc结构，在高温下也能保持良好的综合性能。本发明不仅保证了高氮钢材料的无磁性还显著提高了无磁钻铤的耐磨性，也确保了其在高磨损环境下的更长使用寿命和更高作业效率，从而在油气开采行业中具有广泛的应用前景。

18、本发明的技术方案不仅解决了现有金属材料和无磁钻铤耐磨性不足的问题，还通过精确的材料选择和工艺控制，显著提升了产品的使用寿命和可靠性。本发明的技术方案具有很高的工业应用价值，为未来相关领域提供了新的技术路径和广阔的发展前景。

1.耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：对金属基体进行表面处理，然后以中熵合金粉末作为熔覆粉末，采用激光熔覆在金属基体表面制备涂层，得到耐磨金属材料。

2.根据权利要求1所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：所述金属基体为高氮奥氏体钢，其化学成分按质量百分比为c 0.03～0.04％、cr 20.00～20.50％、mn 18.00～19.50％、ni 1.80～2.10％、n 0.60～0.70％、mo 0.40～0.50％、al 0.03～0.04％、si0.30～0.35％，其余为fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：化学成分按质量百分比为c 0.04％、cr 20.12％、mn 19.35％、ni 2.09％、n 0.665％、mo 0.465％、al 0.032％、si 0.332％，其余为fe及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：所述中熵合金粉末为cocrni中熵合金粉末，其化学成分为等原子比的co、cr和ni。

5.根据权利要求4所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：所述cocrni中熵合金粉末为平均粒径80～100μm的球形粉末。

6.根据权利要求1所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：所述涂层的显微组织为奥氏体，晶体结构为fcc。

7.根据权利要求1所述的耐磨金属材料的制备方法，其特征在于：激光熔覆在氮气保护气氛中进行，激光熔覆过程利用摄像系统实时监控熔覆质量。

8.采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制得的耐磨金属材料。

9.采用权利要求8所述的耐磨金属材料制得的无磁钻铤。

10.权利要求8所述的耐磨金属材料或权利要求9所述的无磁钻铤在石油工业、采矿业、地质勘探中的应用。