无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层及其制备方法，激光熔覆无磁耐磨层包括：过渡层，形成为与无磁不锈钢表面相连的激光熔覆层，过渡层形成为镍基无磁不锈钢；第一无磁耐磨层，形成为设在过渡层背离无磁不锈钢表面的一侧且覆盖过渡层的激光熔覆层；第二无磁耐磨层，形成为设在第一无磁耐磨层背离过渡层的一侧且覆盖第一无磁耐磨层的激光熔覆层。该制备方法下的无磁耐磨层特别适用于石油、天然气、可燃冰钻探部件无磁不锈钢的表面，具有无裂纹，结构组织致密牢固，耐磨耐腐蚀性能较好，不易剥落掉块等优点。

权利要求

1.一种无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，包括：过渡层，所述过渡层形成为与所述无磁不锈钢表面相连的激光熔覆层，所述过渡层形成为镍基无磁不锈钢，所述过渡层包括以下质量分数的元素：C 0.0～0.02％，Mo 8.0～

10.0％，Fe 0.5～0.7％，Mn 0.3～0.5％，Cr 17.0～24.0％，Si 0.2～0.5％，O 0.05～

0.06％，N 0.05～0.15％，Al 0.0～0.03％，Ti 0.00～0.002％，Nb2.5～4.5％，其余为Ni；

第一无磁耐磨层，所述第一无磁耐磨层形成为设在所述过渡层背离所述无磁不锈钢表面的一侧且覆盖所述过渡层的激光熔覆层，所述第一无磁耐磨层包括以下质量分数的元素：W 25％～35％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％～0.95％，Mn 0.3％～

0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S 0.00002％～0.00003％，O0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al 0.17％～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，Nb 3.0％～

4.0％，Ce 0.002％～0.005％，Re 0.001％～0.003％，其余为Ni；

第二无磁耐磨层，所述第二无磁耐磨层形成为设在所述第一无磁耐磨层背离所述过渡层的一侧且覆盖所述第一无磁耐磨层的激光熔覆层，所述第二无磁耐磨层包括以下质量分数的元素，Ni 30％～40％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％～0.95％，Mn0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S 0.00002％～

0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al 0.17％～0.3％，Ti 0.00％～

0.01％，Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～0.005％，Re 0.001％～0.003％，其余为W。

2.根据权利要求1所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，所述第一无磁耐磨层和所述第二无磁耐磨层的成分中都包含有球状碳化钨颗粒，碳化钨颗粒为WC和/或W2C，且颗粒的直径为40μm～160μm，颗粒的显微硬度为HV2800～HV3200。

3.根据权利要求2所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，所述过渡层的熔覆厚度形成为1.0mm±0.1mm，所述第一无磁耐磨层和所述第二无磁耐磨层的厚度相同且均为1.15mm±0.35mm。

4.根据权利要求3所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，所述过渡层、所述第一无磁耐磨层、所述第二无磁耐磨层的两侧分别形成为激光熔覆起始线和激光熔覆终止线，且激光熔覆起始线和激光熔覆终止线与所述无磁不锈钢表面的夹角均为a＝

45°。

5.根据权利要求4所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，所述无磁不锈钢表面的一部分形成为斜坡，所述斜坡的倾斜角度为b，且0＜b≤45°以使所述激光熔覆无磁耐磨层在所述无磁不锈钢表面平缓过渡。

6.根据权利要求5所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，所述无磁不锈钢形成为P550高氮铬锰无磁不锈钢。

7.一种根据权利要求1‑6中任一所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，能够用于在柱状无磁不锈钢表面的侧表面激光熔覆无磁耐磨层，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将各组份熔覆粉末进行机械混合，其中用于混合的碳化钨形状为球状颗粒，碳化钨颗粒为WC和/或W2C，且颗粒直径为40μm～160μm,颗粒的显微硬度为HV2800～HV3200；

S2、对所述无磁不锈钢表面进行预处理；

S3、采用光纤激光器在所述无磁不锈钢表面熔覆所述过渡层，熔覆轨迹形成为沿着与所述无磁不锈钢表面的侧表面的周向延伸并朝所述无磁不锈钢表面的轴向移动所形成的螺旋环状，所述光纤激光器的光束轴与所述无磁不锈钢表面的侧表面垂直，具体工艺参数如下：功率1500W‑8000W，光斑直径Φ1.8mm‑Φ6mm，送粉量15g/min‑40g/min，扫描速度

600mm/min‑3000mm/min，搭接率30％‑70％，送粉气流量3L/min‑20L/min，保护气流量8L/min‑30L/min；

S4、对所述过渡层表面进行预热，将所述过渡层表面加热至100℃‑250℃；

S5、采用光纤激光器在所述过渡层表面激光熔覆第一无磁耐磨层，熔覆轨迹与所述过渡层的熔覆轨迹相同，所述光纤激光器的光束轴与所述无磁不锈钢表面的侧表面垂直，具体工艺参数如下：功率1500W‑8000W，光斑直径：Φ1.8mm‑Φ6mm，送粉量15g/min‑40g/min，扫描速度600mm/min‑3000mm/min，搭接率30％‑70％，送粉气流量3L/min‑20L/min，保护气流量8L/min‑30L/min；

S6、对第一无磁耐磨层表面进行温度检测；

S7、采用光纤激光器在所述第一无磁耐磨层表面激光熔覆第二无磁耐磨层，熔覆轨迹与所述第一无磁耐磨层的熔覆轨迹相同，所述光纤激光器发出的光射到所述无磁不锈钢表面时，光束与所述无磁不锈钢的侧表面垂直射到所述无磁不锈钢表面，其具体工艺参数与激光熔覆所述第一无磁耐磨层的参数相同。

8.根据权利要求7所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21、清洗所述无磁不锈钢表面；

S22、对所述无磁不锈钢表面进行喷砂处理；

S23、再次清洗所述无磁不锈钢表面；

S24、将所述无磁不锈钢装夹在智能增材光纤激光熔覆设备的旋转夹具上。

9.根据权利要求8所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，其特征在于，步骤S6包括：

S61、检测第一无磁耐磨层表面温度是否在250℃‑400℃；

S62、若所述第一无磁耐磨层表面温度在250℃‑400℃之间，则进行步骤S7，若所述第一无磁耐磨层表面温度低于250℃则对所述第一无磁耐磨层表面进行加热至所述第一无磁耐磨层表面温度达到250℃‑400℃。

10.根据权利要求9所述的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，其特征在于，还包括：

S8、对所述无磁耐磨层的表面进行时效缓冷，具体工艺参数如下：进炉温度260℃，保温

1小时，以小于50℃/H升温至350℃，再保温4小时，随炉缓冷至室温。

说明书

无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光熔覆技术领域，尤其涉及一种无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层及其制备方法。

背景技术

[0002] 无磁不锈钢，尤其是P550高氮铬锰无磁不锈钢，在石油、天然气、可燃冰钻探设备上被广泛使用。钻探设备部件在使用过程中表面容易磨损和腐蚀，为了防止其表面磨损和
腐蚀，通常需要增加耐磨防护层。现有技术中增加耐磨防护层通常采用在其表面堆焊硬质
合金以提高钻具的表面耐磨度，如非熔化极惰性气体保护电弧焊，熔化极惰性气体保护焊，
等离子弧堆焊等，传统堆焊时热输入量大冷速低，导致堆焊层的热影响区晶粒粗大严重影
响组织的脆性，且焊层容易有杂质，从而产生气孔、裂纹等不良进而影响无磁耐磨层的强度
和硬度，在使用过程中会导致无磁耐磨层剥落，降低了钻具的耐磨度，影响其使用寿命。同
时传统堆焊稀释率高，焊接时不得不增加焊层厚度以维持焊层近基体表面元素的纯度，而
较厚的堆焊层容易引起加工后基体的变形，且堆焊层容易产生裂纹，还会增加生产成本。

[0003] 另外，现有技术中也有一些采用激光熔覆合金粉末的方法在基体表面增加耐磨层，但是通常由于在激光熔覆过程中，零件内部存在较大的热应力，会导致产生熔覆层开裂
和基体变形等问题。减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷，提高熔覆层的质量和厚度，通
过合理调控激光熔覆工艺参数，实现激光功率与扫描速度的有效匹配，提高熔覆层与基体
制件的冶金结合质量，减少由于急速加热/冷却产生的热应力，减少熔覆层的裂纹及基体的
变形等缺陷，同时以科学合理的合金粉末成分配以及通过预热保温等热处理工艺实现无磁
性、耐磨、耐腐蚀且不易开裂的耐磨防护层、成为激光熔覆无磁耐磨层领域的技术人员亟待
解决的问题。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

[0005] 有鉴于此，本发明提供一种无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层及其制备方法，通过在无磁不锈钢表面激光熔覆过渡层和两层无磁耐磨层，由于该无磁耐磨层具有结构组
织致密牢固，耐磨耐腐蚀性能较好，勘探过程中因自身无磁不会影响电子设备探测等优点，
可防止无磁不锈钢在工作过程中表面出现裂纹和剥落等不良，从而可提高无磁不锈钢表面
的耐磨度，延长其使用寿命，具有工艺简单、性能良好等优点。

[0006] 根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，过渡层，过渡层形成为与无磁不锈钢表面相连的激光熔覆层，过渡层形成为镍基不锈钢，过渡层包括
以下质量分数的元素：C 0.0～0.02％，Mo 8.0～10.0％，Fe 0.5～0.7％，Mn 0.3～0.5％，
Cr 17.0～24.0％，Si 0.2～0.5％，O 0.05～0.06％，N 0.05～0.15％，Al 0.0～0.03％，Ti 
0.00～0.002％，Nb2.5～4.5％，其余为Ni；第一无磁耐磨层，第一无磁耐磨层形成为设在过
渡层背离无磁不锈钢表面的一侧且覆盖过渡层的激光熔覆层，第一无磁耐磨层包括以下质
量分数的元素：W 25％～35％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％～0.95％，Mn 
0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S 0.00002％～
0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al0.17％～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，
Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其余为Ni；第二无磁耐
磨层，第二无磁耐磨层形成为设在第一无磁耐磨层背离过渡层的一侧且覆盖第一无磁耐磨
层的激光熔覆层，第二无磁耐磨层包括以下质量分数的元素，Ni30％～40％，C 2.3％～
2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％～0.95％，Mn 0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 
0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S 0.00002％～0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％
～0.3％，Al 0.17％～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～
0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其余为W。

[0007] 根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层，采用过渡层、第一无磁耐磨层和第二无磁耐磨层相结合的方式，通过在无磁不锈钢表面激光熔覆过
渡层、第一无磁耐磨层和第二无磁耐磨层，可形成无磁性的耐磨层且其结构致密牢固，具有
耐磨耐腐蚀性能较好、不易开裂，勘探过程中因自身无磁不会影响电子设备探测等优点，可
防止无磁不锈钢在工作过程中表面出现裂纹和剥落等不良，从而可提高无磁不锈钢表面的
耐磨度，延长其使用寿命，具有工艺简单、性能良好等优点。

[0008] 根据本发明的一个实施例，第一无磁耐磨层和第二无磁耐磨层的成分中都包含有球状碳化钨(WC和/或W2C)颗粒，且颗粒的直径为40μm～160μm，颗粒的显微硬度为HV2800～
HV3200。

[0009] 根据本发明的一个实施例，过渡层的熔覆厚度形成为1.0mm±0.1mm，第一无磁耐磨层和第二无磁耐磨层的厚度相同且均为1.15mm±0.35mm。

[0010] 根据本发明的一个实施例，过渡层、第一无磁耐磨层、第二无磁耐磨层的两侧分别形成为激光熔覆起始线和激光熔覆终止线，且激光熔覆起始线/激光熔覆终止线与无磁不
锈钢表面的夹角均为a＝45°。

[0011] 根据本发明的一个实施例，无磁不锈钢表面的一部分形成为斜坡，斜坡的倾斜角度为b，且0＜b≤45°以使激光熔覆无磁耐磨层在无磁不锈钢表面平缓过渡。

[0012] 根据本发明的一个实施例，无磁不锈钢形成为P550高氮铬锰无磁不锈钢。

[0013] 根据本发明第二方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，能够用于在柱状无磁不锈钢表面的侧表面激光熔覆无磁耐磨层，包括以下步骤：S1、将各组
份熔覆粉末进行机械混合，其中用于混合的碳化钨(WC和/或W2C)形成为球状颗粒，且颗粒
直径为40μm～160μm,颗粒的显微硬度为HV2800～HV3200；S2、对无磁不锈钢表面进行预处
理；S3、采用光纤激光器在无磁不锈钢表面熔覆过渡层，熔覆轨迹形成为沿着与无磁不锈钢
表面的侧表面的周向延伸并朝无磁不锈钢表面的轴向移动所形成的螺旋环状，光纤激光器
的光束轴与无磁不锈钢表面的侧表面垂直，具体工艺参数如下：功率1500W‑8000W，光斑直
径Φ1.8mm‑Φ6mm，送粉量15g/min‑40g/min，扫描速度600mm/min‑3000mm/min，搭接率
30％‑70％，送粉气流量3L/min‑20L/min，保护气流量8L/min‑30L/min；S4、对所述过渡层表
面进行预热，将所述过渡层表面加热至100℃‑250℃；S5、采用光纤激光器在过渡层表面激
光熔覆第一无磁耐磨层，熔覆轨迹与过渡层的熔覆轨迹相同，光纤激光器的光束轴与无磁
不锈钢表面的侧表面垂直，具体工艺参数如下：功率1500W‑8000W，光斑直径：Φ1.8mm‑Φ
6mm，送粉量15g/min‑40g/min，扫描速度600mm/min‑3000mm/min，搭接率30％‑70％，送粉气
流量3L/min‑20L/min，保护气流量8L/min‑30L/min；S6、对第一无磁耐磨层表面进行温度检
测；S7、采用光纤激光器在所述第一无磁耐磨层表面激光熔覆第二无磁耐磨层，熔覆轨迹与
所述第一无磁耐磨层的熔覆轨迹相同，所述光纤激光器发出的光射到所述无磁不锈钢表面
时，光束与所述无磁不锈钢的侧表面垂直射到所述无磁不锈钢表面，其具体工艺参数与激
光熔覆所述第一无磁耐磨层的参数相同。

[0014] 根据本发明的一个实施例，步骤S2包括：S21、清洗无磁不锈钢表面；S22、对无磁不锈钢表面进行喷砂处理；S23、再次清洗无磁不锈钢表面；S24、将无磁不锈钢装夹在智能增
材光纤激光熔覆设备的旋转夹具上。

[0015] 根据本发明的一个实施例，步骤S6包括：S61、检测第一无磁耐磨层表面温度是否在250℃‑400℃；S62、若所述第一无磁耐磨层表面温度在250℃‑400℃之间，则进行步骤S7，
若所述第一无磁耐磨层表面温度低于250℃则对第一无磁耐磨层表面进行加热至第一无磁
耐磨层表面温度达到250℃‑400℃。

[0016] 根据本发明的一个实施例，无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法还包括：S8、对无磁耐磨层的表面进行时效缓冷，具体工艺参数如下：进炉温度260℃，保温1小
时，以小于50℃/H升温至350℃，再保温4小时，随炉缓冷至室温。

[0017] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0018] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0019] 图1为根据本发明实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的结构示意图；

[0020] 图2为根据本发明一个实施例的激光熔覆无磁耐磨层与基体表面连接的局部剖面图；

[0021] 图3为根据本发明另一个实施例激光熔覆无磁耐磨层与基体表面连接的结构示意图；

[0022] 图4为根据本发明一个实施例的激光熔覆无磁耐磨层与基体表面连接的结构示意图；

[0023] 图5为无磁不锈钢表面的斜坡为90°时激光熔覆层与无磁不锈钢表面连接的结构示意图；

[0024] 图6为无磁不锈钢表面的斜坡大于90°时激光熔覆层与无磁不锈钢表面连接的结构示意图；

[0025] 图7为根据本发明实施例的无磁不锈钢钻杆表面激光熔覆无磁耐磨层的熔覆方向的结构示意图；

[0026] 图8为根据本发明实施例的无磁不锈钢钻杆表面激光熔覆无磁耐磨层的熔覆轨迹的结构示意图；

[0027] 图9为根据本发明实施例的制备方法的流程图；

[0028] 图10为用超显深显微镜拍的根据本发明一个实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的表面图片；

[0029] 图11为用超显深显微镜拍的根据本发明一个实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的截面图片；

[0030] 图12为根据本发明一个实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层表面进行摩擦试验时的摩擦系数随时间的变化曲线图；

[0031] 图13为根据本发明一个实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层表面的磨痕的深度和磨痕的宽度的关系曲线图。

[0032] 附图标记：

[0033] 无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层100；

[0034] 过渡层110；第一无磁耐磨层120；第二无磁耐磨层130；

[0035] 无磁不锈钢200。

具体实施方式

[0036] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0037] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限
定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的
描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0039] 下面首先结合附图具体描述根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层100。

[0040] 如图1至图8所示，根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层100包括过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130。

[0041] 具体而言，过渡层110可形成为与无磁不锈钢200表面相连的激光熔覆层，过渡层110可形成为镍基合金，过渡层110可包括以下质量分数的元素：C 0.0～0.02％，Mo 8.0～
10.0％，Fe 0.5～0.7％，Mn 0.3～0.5％，Cr 17.0～24.0％，Si0.2～0.5％，O 0.05～
0.06％，N 0.05～0.15％，Al 0.0～0.03％，Ti 0.00～0.002％，Nb2.5～4.5％，其余为Ni；
第一无磁耐磨层120可形成为设在过渡层110背离无磁不锈钢200表面的一侧且覆盖过渡层
110的激光熔覆层，第一无磁耐磨层120包括以下质量分数的元素：W 25％～35％，C 2.3％
～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe0.75％～0.95％，Mn 0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 
0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S0.00002％～0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％～
0.3％，Al 0.17％～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～
0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其余为Ni；第二无磁耐磨层130形成为设在第一无磁耐磨
层120背离过渡层110的一侧且覆盖第一无磁耐磨层120的激光熔覆层，第二无磁耐磨层130
包括以下质量分数的元素：Ni 30％～40％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％
～0.95％，Mn 0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 0.5％～2.0％，B0.1％～1.0％，S 
0.00002％～0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al 0.17％～0.3％，
Ti0.00％～0.01％，Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其
余为W。

[0042] 换言之，可在无磁不锈钢200表面依次激光熔覆过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130，过渡层110可位于无磁不锈钢200表面与第一无磁耐磨层120之间，过
渡层110可形成为镍基合金，过渡层110中可存在各元素的质量分数百分比范围如下：C0.0
～0.02％，Mo 8.0～10.0％，Fe 0.5～0.7％，Mn 0.3～0.5％，Cr 17.0～24.0％，Si0.2～
0.5％，O0.05～0.06％，N 0.05～0.15％，Al 0.0～0.03％，Ti 0.00～0.002％，Nb2.5～
4.5％，其余为Ni，第一无磁耐磨层120与过渡层110相连且覆盖过渡层110，第一无磁耐磨层
120中可存在各元素的质量分数百分比范围如下：W 25％～35％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％
～10.0％，Fe0.75％～0.95％，Mn 0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 0.5％～2.0％，B 
0.1％～1.0％，S0.00002％～0.00003％，O 0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al 0.17％
～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，Nb 3.0％～4.0％，Ce 0.002％～0.005％,，Re 0.001％～
0.003％，其余为Ni。

[0043] 进一步的，如图1所示，第二无磁耐磨层130可设在第一无磁耐磨层120背离过渡层110的一侧且覆盖第一无磁耐磨层120，第二无磁耐磨层130中可存在各元素的质量分数百
分比范围如下：Ni 30％～40％，C 2.3％～2.6％，Mo8.0％～10.0％，Fe 0.75％～0.95％，
Mn0.3％～0.5％，Cr 1.0％～2.0％，Si 0.5％～2.0％，B 0.1％～1.0％，S 0.00002％～
0.00003％，O0.015％～0.02％，N 0.1％～0.3％，Al 0.17％～0.3％，Ti 0.00％～0.01％，
Nb 3.0％～4.0％，Ce0.002％～0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其余为W。在第一无磁耐
磨层120中，W元素的含量为25％～35％，该熔覆层不易产生裂纹，为熔覆第二无磁耐磨层
130打下基础，从而可减小第二无磁耐磨层130熔覆时开裂的倾向。另外，第一无磁耐磨层
120和第二无磁耐磨层130中的碳化钨(WC和/或W2C)含量呈梯度递减形成了梯度材料，因此
无磁不锈钢200基材在使用过程中，该激光熔覆无磁耐磨层可具有较强的耐冲击性，且在无
磁不锈钢200表面激光熔覆两层无磁耐磨层可增加无磁耐磨层的厚度，从而延长无磁耐磨
层的耐磨寿命。

[0044] 由此，根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层100，采用过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130相结合的方式，通过在无磁不锈钢
120表面激光熔覆过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130，可形成无磁性的
耐磨层且结构致密牢固，具有耐磨耐腐蚀性能较好、不易开裂等优点，可防止无磁不锈钢
200在工作过程中表面出现裂纹和剥落等不良，从而可提高无磁不锈钢200表面的耐磨度，
延长其使用寿命，具有工艺简单、性能良好等优点。

[0045] 根据本发明的一个实施例，第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130都包含有球状碳化钨(WC和/或W2C)颗粒，且颗粒的直径为40μm～160μm，颗粒的显微硬度为HV2800～
HV3200，可增加熔覆层的硬度，从而提高其耐磨性能。

[0046] 可选的，过渡层110的熔覆厚度可形成为1.0mm±0.1mm，第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130的厚度可相同且均为1.15mm±0.35mm，可保证无磁耐磨层的厚度，从而延
长无磁耐磨层在基体使用过程中的耐磨寿命。

[0047] 优选的，过渡层110、第一无磁耐磨层120、第二无磁耐磨层130的两侧分别形成为激光熔覆起始线和激光熔覆终止线，如图2和图3中的L即为激光熔覆起始线/激光熔覆终止
线，且激光熔覆起始线/激光熔覆终止线与无磁不锈钢表面的夹角均为a＝45°。

[0048] 也就是说，如图2所示，过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130边缘呈阶梯分布，不仅可避免无磁耐磨层与无磁不锈钢基体接触，还可避免各层之间完全重叠，
从而可防止无磁耐磨层整块剥落，提高无磁耐磨层的耐磨性能。

[0049] 在本发明的一些具体实施方式中，如图2和图4所示，无磁不锈钢200表面的一部分可形成为斜坡，斜坡的倾斜角度为b，且0＜b≤45°。特别是有些无磁不锈钢200表面不平整
且存在一些较尖锐的凸起或凹槽时，一般需要在其表面加工出坡度较小的斜坡以除去尖锐
的凸起或凹槽，便于激光熔覆耐磨层100的加工，且使无磁耐磨层100在无磁不锈钢200表面
可平滑过渡，减小加工过程中残留在无磁耐磨层100内的应力，不仅可提高无磁耐磨层100
与无磁不锈钢200表面的冶金结合，使无磁耐磨层100不易开裂剥落，还可提高无磁不锈钢
200表面和无磁耐磨层100的连接牢固度，从而提高无磁不锈钢200表面的耐磨度，延长其使
用寿命。

[0050] 需要注意的是，如图5和图6所示分别为无磁不锈钢表面的斜坡分别为b＝90°和b＞90°时激光熔覆层与无磁不锈钢表面连接的两种熔覆方式，与本发明的熔覆方式相比，该
无磁耐磨层结构与无磁不锈钢200表面不能平滑过渡，会导致无磁耐磨层与无磁不锈钢200
表面连接处存在较大应力无法释放，从而容易引起无磁耐磨层与无磁不锈钢200连接不牢
固，无磁耐磨层容易产生裂纹，且易磨损和剥落，耐磨性较差等问题。

[0051] 在本发明的一些具体实施方式中，无磁不锈钢可为P550高氮铬锰无磁不锈钢，该型号无磁不锈钢200被广泛用于石油钻具和随钻无磁钻铤等设备，使用本专利中的制备方
法进行激光熔覆得到的无磁耐磨层100硬度和强度较高，与无磁不锈钢200基材表面连接牢
固，耐磨性能较好。

[0052] 如图7至图9所示，根据本发明第二方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法，能够用于在柱状无磁不锈钢200的侧表面激光熔覆无磁耐磨层，包括以下
步骤：S1、将各组份熔覆粉末进行机械混合，其中用于混合的碳化钨(WC和/或W2C)形成为球
状颗粒，且颗粒直径为40μm～160μm,颗粒的显微硬度为HV2800～HV3200，该硬度的碳化钨
可提高无磁耐磨层100的强度和硬度，从而可提高无磁耐磨层100的耐磨性能；S2、可对无磁
不锈钢200表面进行预处理；S3、可采用光纤激光器在无磁不锈钢200表面熔覆过渡层110，
熔覆轨迹可形成为沿着与无磁不锈钢200的侧表面的周向延伸并朝无磁不锈钢200的轴向
移动所形成的螺旋环状，无磁不锈钢200通常形成为柱状，在使用过程中，通常柱状的无磁
不锈钢200的工作轨迹是延其周向旋转式朝其轴向移动，激光熔覆轨迹采用与无磁不锈钢
200的使用状态的工作轨迹方向一致，可减少无磁耐磨层的磨损，可防止无磁耐磨层剥落，
提高其耐磨性并延长使用寿命。

[0053] 进一步地，光纤激光器射到加工件表面的光束轴与无磁不锈钢200的侧表面可垂直，具体工艺参数可如下：功率1500W‑8000W，光斑直径Φ1.8mm‑Φ6mm，送粉量15g/min‑
40g/min，扫描速度600mm/min‑3000mm/min，搭接率30％‑70％，送粉气流量3L/min‑20L/
min，保护气流量8L/min‑30L/min；S4、对所述过渡层表面进行预热，将所述过渡层表面加热
至100℃‑250℃，不仅可减小无磁不锈钢200表面在激光熔覆过程中受热影响而变形，还可
改善熔覆层的界面结合和冶金质量，进而减少或消除熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷，
从而提高加工效率；S5、可采用光纤激光器在过渡层110表面激光熔覆第一无磁耐磨层120，
熔覆轨迹与过渡层110的熔覆轨迹相同，光纤激光器的光束轴与无磁不锈钢200的侧表面垂
直，也就是说，光纤激光器的光束轴与无磁不锈钢200的中心轴垂直，具体工艺参数可如下：
功率1500W‑8000W，光斑直径：Φ1.8mm‑Φ6mm，送粉量15g/min‑40g/min，扫描速度600mm/
min‑3000mm/min，搭接率30％‑70％，送粉气流量3L/min‑20L/min，保护气流量8L/min‑30L/
min；S6、对第一无磁耐磨层120表面进行温度检测，保证第一无磁耐磨层120表面在适当的
温度再进行激光熔覆第二无磁耐磨层130；S7、采用光纤激光器在第一无磁耐磨层120表面
激光熔覆第二无磁耐磨层130，熔覆轨迹与第一无磁耐磨层120的熔覆轨迹相同，光纤激光
器的光束轴与无磁不锈钢200的侧表面垂直，光纤激光器的光束轴与无磁不锈钢200的侧表
面垂直，具体工艺参数与激光熔覆第一无磁耐磨层120的参数相同。该工艺参数可实现激光
功率与扫描速度的有效匹配，提高熔覆层与基体的冶金结合质量，减少由于急速加热/冷却
产生的热应力，减少熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷。进一步的，激光光束与无磁不锈钢
200表面的熔覆加工面可垂直进行熔覆加工，熔覆粉末汇聚焦点与激光光束焦点重合度较
高，不仅可提高激光能量利用率，还可提高熔覆粉末利用率，从而可节约生产成本。

[0054] 可选的，在激光熔覆过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130的过程中，使用的送粉气体和保护气体可为氩气、氦气和氮气，其中优选为氮气，可节约成本，提高
生产安全性。

[0055] 优选的，激光熔覆过渡层110的具体工艺参数可为：功率3000W，光斑直径Φ5mm，送粉量35g/min，扫描速度2200mm/min，搭接率50％，送粉气流量13L/min，保护气流量15L/
min，不仅可提高过渡层110与无磁不锈钢200表面的连接牢固性，还可提高过渡层110的组
织致密性，有利于第一无磁耐磨层120的熔覆加工。

[0056] 进一步的，激光熔覆第一无磁耐磨层120的具体工艺参数可优选为：功率4000W，光斑直径Φ5mm，送粉量50g/min，扫描速度2500mm/min，搭接率50％，送粉气流量13L/min，保
护气流量15L/min，可提高第一无磁耐磨层120的组织致密性，防止第一无磁耐磨层120产生
气孔和裂纹，从而可提高第一无磁耐磨层120的硬度和耐磨性能，延长其耐磨寿命。

[0057] 优选的，激光熔覆第二无磁耐磨层130的具体工艺参数可为：功率3800W，光斑直径Φ5mm，送粉量50g/min，扫描速度2500mm/min，搭接率50％，送粉气流量13L/min，保护气流
量15L/min，，不仅可提高第二无磁耐磨层130与第一无磁耐磨层120的连接牢固性，还可提
高第二无磁耐磨层130的组织致密性，有利于第二无磁耐磨层130的熔覆加工，可提高无磁
不锈钢200的耐磨性。

[0058] 如图7和图8所示，其中图7中的b为无磁不锈钢钻杆表面进行激光熔覆的熔覆层起始线，箭头c表示石油用无磁不锈钢钻杆使用过程中井口的方向，箭头d表示钻杆使用过程
中井底的方向，双向箭头e表示延石油钻杆的周向进行激光熔覆方向，熔覆轨迹可形成为沿
着与无磁不锈钢200的侧表面的周向延申并朝无磁不锈钢200的轴向移动所形成的螺旋环
状，用在石油钻具的无磁不锈钢200通常形成为柱状，在使用过程中，通常柱状的无磁不锈
钢200延其周向旋转式朝其轴向移动，激光熔覆轨迹采用与无磁不锈钢200的使用状态的方
向一致，可减少无磁耐磨层的磨损，可防止无磁耐磨层剥落，提高其耐磨性并延长使用寿
命。

[0059] 根据本发明的一个实施例，步骤S2可包括：S21、清洗无磁不锈钢200表面，可先使用白棉布擦拭无磁不锈钢200表面，除去无磁不锈钢200表面的切屑液以及油污，再使用丙
酮清洗无磁不锈钢200表面，进一步除去无磁不锈钢200表面的油污，可防止油污和杂质参
杂在过渡层110，影响过渡层110的组织结构；S22、对无磁不锈钢表面进行喷砂处理，可使用
40目～200目石英砂对无磁不锈钢200表面进行喷砂处理，喷砂气压可为2～9兆帕，喷砂后
的表面粗糙度可为Ra＝1.6～6.4且喷砂表面均匀，可提高过渡层110与无磁不锈钢200表面
的连接牢固性，从而可防止过渡层110的剥落；S23、再次清洗无磁不锈钢200表面，可使用压
缩空气将无磁不锈钢200表面的砂尘吹去，再使用无水乙醇将无磁不锈钢200表面清洗干
净，可防止杂质进入无磁耐磨层而产生气孔、裂纹等不良；S24、可将无磁不锈钢装夹在智能
增材光纤激光熔覆设备的旋转夹具上，便于加工。

[0060] 在本发明的一些具体实施方式中，步骤S6还可包括：S61、检测第一无磁耐磨层120表面温度是否在250℃‑400℃；S62、若第一无磁耐磨层120表面温度在250℃‑400℃之间，则
进行步骤S7，若所述第一无磁耐磨层130表面温度表面温度低于250℃则对第一无磁耐磨层
130表面进行加热至第一无磁耐磨层130表面温度达到250℃‑400℃。可保证加工第二无磁
耐磨层130前第一无磁耐磨层120表面的温度在250℃‑400℃之间，不仅可改善熔覆层的界
面结合和冶金质量，还可减少或消除熔覆层的裂纹及基体的变形等缺陷，从而可提高第一
无磁耐磨层120与第二无磁耐磨层130之间的冶金结合质量。

[0061] 可选的，无磁不锈钢200表面激光熔覆无磁耐磨层的制备方法还可包括：S5、对无磁耐磨层的表面进行时效缓冷，具体工艺参数如下：进炉温度260℃，保温1小时；S6、以小于
50℃/H升温至350℃，再保温4小时，随炉缓冷至室温，不仅可使激光熔覆无磁耐磨层的组织
结构均匀紧凑，还可提高第二无磁耐磨层130的表面硬度和强度，从而提高耐磨性。

[0062] 实施例1：

[0063] 如图10至图13所示，为根据本发明的一个实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层进行摩擦试验的相关数据，其中试验用过渡层110中各元素的质量分数百分比如下：
C0.015％，Mo 8.61％，Fe 0.59％，Mn 0.42％，Cr 19.81％，Si0.32％，O 0.05％，N 0.08％，
Al0.015％，Ti 0.0012％，Nb3.52％，其余为Ni；第一无磁耐磨层120中各元素的质量分数百
分比如下：W 29.5％，C 2.4％，Mo8.8％，Fe 0.85％，Mn 0.4％，Cr 1.6％，Si 1.5％，B 
0.6％，S 0.00002％，O 0.017％，N 0.18％，Al 0.23％，Ti 0.007％，Nb 3.5％，Ce 0.002％
～0.005％,，Re 0.001％～0.003％，其余为Ni；第二无磁耐磨层130中各元素的质量百分比
如下：Ni37.2％，C 2.4％，Mo8.8％，Fe 0.85％，Mn 0.4％，Cr 1.6％，Si 1.5％，B 0.6％，S 
0.00002％，O 0.017％，N 0.18％，Al 0.23％，Ti 0.007％，Nb 3.5％，其余为W。该无磁耐磨
层表面在经过X射线衍射进行物相分析，发现该无磁耐磨层表面晶粒尺寸较小，并形成为细
小致密的枝晶，在无磁耐磨层表面形成为大面积的网状晶格，且无磁耐磨层的磨损量主要
以磨粒磨损为主，表明无磁耐磨层表面的耐磨性能较好。从图10和图11中可以看出，无磁耐
磨层中的球状碳化钨呈弥散分布，无磁耐磨层结构组织均匀，耐磨性能较好。将激光熔覆该
无磁耐磨层的无磁不锈钢试样在显微镜下分别对无磁耐磨层表面和截面进行拍照，得到图
10和图11的结果，然后对无磁耐磨层表面进行摩擦实验，实验条件：常温，载荷6N,往复摩擦
长度4mm，对磨副是Si3N4，且直径为3.5mm，得到图12和图13的结果，可以看出该无磁耐磨层
的摩擦系数较小，且磨痕的深度和宽度的数值都很小，说明该成分组成的无磁耐磨层表面
耐磨性较强，耐磨性能好，从而可延长无磁耐磨层的耐磨寿命。

[0064] 总而言之，由于根据本发明第一方面实施例的无磁不锈钢表面激光熔覆无磁耐磨层100，采用过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130相结合的方式，通过在无
磁不锈钢200表面激光熔覆过渡层110、第一无磁耐磨层120和第二无磁耐磨层130，可使无
磁耐磨层结构致密牢固，具有耐磨耐腐蚀性能较好，不易开裂，耐磨层无磁性等优点，则根
据本发明第二方面实施例的制备方法也具有防止无磁不锈钢200在工作过程中表面出现裂
纹和剥落等不良，提高无磁不锈钢表面的耐磨度，延长其使用寿命，工艺简单、性能良好等
优点。

[0065] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结
构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的
示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特
点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0066] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。