制备具有低摩擦涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法

申请号 CN201380066359.2 申请日 2013-12-20 公开(公告)号 CN104870691A 公开(公告)日 2015-08-26
申请人 埃克森美孚研究工程公司; 发明人 J·R·贝利; S·拉亚果帕兰; T·哈克; A·奥赛克森; M·D·埃尔塔斯; H·金; B·赵; R·R·穆勒;
摘要 提供制备具有低摩擦涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法。在一个形式中,该方法包括提供具有用于安装 切割器 、插入物、 轴承 、辊、其它非涂覆组件或其组合的 指定 位置 的一个或多个钻具组件;清洁该一个或多个钻具组件;施加用于安装切割器、插入物、轴承、辊、其它非涂覆组件或其组合的掩蔽物;将多层低摩擦涂层施涂于经清洁的指 定位 置上;将掩蔽物从所述一个或多个钻具组件的经清洁且经涂覆的指定位置除去;将切割器和插入物插入并将移动部件组装到该一个或多个钻具组件的经清洁且经涂覆的指定位置;和组装该一个或多个钻具组件以形成钻具。
权利要求

1.生产钻具的方法,其包括:
提供具有用于安装切割器、插入物、轴承、辊、其它非涂覆组件或其组合的指定位置的一个或多个钻具组件;
清洁具有指定位置的所述一个或多个钻具组件以除去油、有机化合物和/或被吸附物;
将掩蔽物施加在用于安装切割器、插入物、轴承、辊、其它非涂覆组件或其组合的所述经清洁的指定位置上;
将多层低摩擦涂层施涂于所述经清洁的指定位置上,其中所述多层低摩擦涂层包含:
i)下层,其选自由CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合组成的组,其中下层的厚度为0.1-100μm,
ii)附着促进层,其选自由Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合组成的组,其中附着力促进层的厚度为0.1-50μm且与下层的表面毗邻;和
iii)功能层,其选自由富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石(DLC)及其组合组成的组,其中功能层为0.1-50μm且与附着力促进层的表面毗邻,
其中附着力促进层置于下层与功能层之间,
其中具有低摩擦涂层的功能层的摩擦系数通过环摩擦试验测量为小于或等于0.15,且
其中低摩擦涂层的抗磨损性通过改良ASTM G105磨损试验测量得到小于或等于20μm的磨痕深度和小于或等于0.03g的重量损失;
从所述一个或多个钻孔组件的所述经清洁且经涂覆的指定位置除去掩蔽物;
将切割器和插入物插入并将移动部件组装到所述一个或多个钻具组件的经清洁且经涂覆的指定位置;和
组装所述一个或多个钻具组件以形成钻具。
2.根据权利要求1的方法,其中下层与基质的表面毗邻。
3.根据权利要求2的方法,其中基质选自由不锈钢、环形加硬层、合金基合金、基合金、陶瓷和镍基合金组成的组。
4.根据权利要求3的方法,其中环形加硬层包含金属陶瓷基材料、金属基体复合物或硬金属合金。
5.根据权利要求1的方法,其中功能层为金刚石基材料。
6.根据权利要求5的方法,其中金刚石基材料为化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。
7.根据权利要求1的方法,其中功能层为类金刚石碳(DLC)。
8.根据权利要求7的方法,其中类金刚石碳(DLC)选自由ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合组成的组。
9.根据权利要求1的方法,其中下层硬度为800-3500VHN。
10.根据权利要求1的方法,其中附着力促进层硬度为200-2500VHN。
11.根据权利要求1的方法,其中功能层硬度为1000-7500VHN。
12.根据权利要求1的方法,其进一步包括在下层和附着力促进层的界面上的
0.01-10μm的梯度。
13.根据权利要求1的方法,其进一步包括在附着力促进层和功能层的界面上的
0.01-10μm的梯度。
14.根据权利要求1的方法,其进一步包括选自由Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合组成的组的第二附着力促进层,其中第二附着力促进层的厚度为0.1-50μm且与功能层的表面毗邻,和选自由富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合组成的组的第二功能层,其中第二功能层为0.1-50μm且与第二附着力促进层的表面毗邻。
15.根据权利要求14的方法,其进一步包括置于功能层与第二附着力促进层之间的第二下层,其中第二下层选自由CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合组成的组,其中第二下层的厚度为0.1-100μm。
16.根据权利要求14的方法,其中第二功能层为类金刚石碳(DLC)。
17.根据权利要求16的方法,其中类金刚石碳(DLC)选自由ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合组成的组。
18.根据权利要求1的方法,其进一步包括1-100个系列的增量涂层,其中各系列增量涂层包含增量附着力促进层、增量功能层和任选增量下层的组合,其中各系列增量涂层配置如下:
(i)其中所述任选增量下层选自由CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合组成的组;厚度为0.1-100μm;且与功能层和增量附着力促进层的表面毗邻;其中所述任选增量下层置于功能层与增量附着力促进层之间,
(ii)其中增量附着力促进层选自由Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合组成的组;厚度为0.1-50μm;且与功能层或任选增量下层和增量功能层毗邻;
其中增量附着力促进层置于功能层与增量功能层之间或者所述任选增量下层与增量功能层之间,
(iii)其中增量功能层选自由富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合组成的组;厚度为0.1-50μm;且与增量附着力促进层的表面毗邻。
19.根据权利要求18的方法,其中增量功能层为类金刚石碳(DLC)。
20.根据权利要求19的方法,其中类金刚石碳(DLC)选自由ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合组成的组.
21.根据权利要求18的方法,其中所述任选增量下层硬度为800-3500VHN。
22.根据权利要求18的方法,其中增量附着力促进层硬度为200-2500VHN。
23.根据权利要求18的方法,其中增量功能层硬度为1000-7500VHN。
24.根据权利要求18的方法,其进一步包括在所述任选增量下层和增量附着力促进层的界面上的0.01-10μm的梯度。
25.根据权利要求18的方法,其进一步包括在增量附着力促进层和增量功能层的界面上的0.01-10μm的梯度。
26.根据权利要求1的方法,其中功能层的表面粗糙度为0.01μm至1.0μm Ra。
27.根据权利要求18的方法,其中最外增量功能层的表面粗糙度为0.01μm至1.0μm Ra。
28.根据权利要求1的方法,其中配合端面磨痕深度通过环块摩擦试验测量为小于或等于500μm。
29.根据权利要求1的方法,其中低摩擦涂层的抗磨损性通过改良ASTM G105磨损试验测量得到比相同功能层的单层涂层低至少5倍的磨痕深度和重量损失。
30.根据权利要求1的方法,其中所述一个或多个钻具组件包含具有应用于至少一部分待涂覆面积上的表面耐磨堆焊材料的碳钢材料。
31.根据权利要求1的方法,其中所述一个或多个钻具组件的至少一部分包含碳化物基体材料。
32.根据权利要求1的方法,其中在清洁步骤以前将至少一个切割器或插入物焊到钻具的所述一个或多个钻具组件中的至少一个上。
33.根据权利要求32的方法,其中所述一个或多个钻具组件在铜焊方法期间冷却。
34.根据权利要求1的方法,其中在将多层低摩擦涂层施涂于所述一个或多个钻具组件上的步骤以前将至少一个切割器或插入物铜焊到钻具的所述一个或多个钻具组件中的至少一个上。
35.根据权利要求34的方法,其中所述一个或多个钻具组件在铜焊方法期间冷却。
36.根据权利要求1的方法,其中清洁步骤包括溶剂浴。
37.根据权利要求1的方法,其中清洁步骤包括离子蚀刻。
38.根据权利要求1的方法,其进一步包括在所述制备步骤以后且在所述清洁步骤以前的加工步骤,其中所述加工步骤包括将所述钻具组件的至少一部分表面抛光至小于1μm Ra的最小表面粗糙度规格。

说明书全文

制备具有低摩擦涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法

[0001] 领域
[0002] 本公开内容涉及具有改进性能的涂层领域。它更特别地涉及制备用于建造井眼以制备的具有这类涂层以减少泥包和摩擦的钻具的方法。
[0003] 背景
[0004] 钻具的泥包和摩擦特征
[0005] 在旋转钻探操作中,钻头连接在底部钻具组合的末端,所述底部钻具组合连接在包含钻杆和钻具接头的钻柱上,其可通过转盘或顶部驱动装置在表面上旋转。钻柱和底部钻具组合的重量导致钻头旋转以在土地上钻孔。作为选择,挠性管可取代钻井钻具组合中的钻柱。钻柱的旋转提供功率通过钻柱和底部钻具组合至钻头。在挠性管钻探中,功率通过钻井液输送至钻头。钻探方法的进行速率部分地由钻头如何能够有效地向前钻探以“钻井”决定。
[0006] 钻头泥包确定为在用基泥浆钻探页岩时无效钻头性能的一个主要原因。它在钻探某些酸盐岩地层时也是有问题的。钻头泥包是钻屑之间粘聚的结果,产生钻头的开口槽面积中的堵塞。由钻头制造的钻屑也可粘附在钻头的表面,特别是具有低流速的区域中。钻头泥包可发生在钻头表面,其中钻井液施加的剪切应不足以克服粘合力以保持钻屑流动。不可逆的钻头泥包指的是严重的泥包,其可能要求从孔中起出以清洗或置换钻头。因此,至关重要的是在一些钻井现场环境中减轻钻头泥包。这可潜在地提供实质的经济益处,包括节省从孔中的起出和降低钻井成本。
[0007] 钻具如管下扩眼器和稳定器可能遭遇与钻头类似的机能障碍,因为它们也具有可能与页岩钻屑成球的元件,在水基钻井泥浆中特别如此。稳定器元件具有由工具主体伸出的纵向或螺旋叶片。类似地,扩孔工具具有伸出臂或叶片,其具有设计用于将孔扩大至指定直径的切割元件。在两种设备中,载有钻屑的流体通过叶片之间的通道,并且可发生钻屑增大,其可妨碍钻井进程
[0008] 随着非常规资源如页岩气田的日益发展,钻头泥包减轻起到越来越重要的作用。“页岩”为可在岩层中发现且通常可具有小于0.0625mm的平均粒度的细粒碎屑沉积岩。页岩通常包括层状和易剥裂的粉砂岩和粘土岩。这些材料可由粘土、石英和细粒岩中发现的其它矿物形成。页岩的非限定性实例包括北美洲的Barnett、Fayetteville和Woodford。
由于它的高粘土含量,页岩倾向于从水基钻井泥浆中吸收水,这导致溶胀和井眼故障。在工业范围内,多于一半的钻探岩层具有显著的页岩含量。
[0009] 钻头泥包是钻探方法中限制钻井速度(ROP)和总钻探效率的失败点。通常认为它在钻探页岩或一些页岩质碳酸盐岩层时,特别是在使用水基钻井液时发生。另外,钻头表面上的高摩擦产生较高的寄生转矩,其又限制钻探效率。钻屑的排屑槽或流路中以及钻头表面上具有低表面能和低摩擦涂层可降低这些机能障碍并改进钻探ROP和效率。
[0010] 还存在一些证据证明钻头的失败点在一些情况下涉及从钻头和井底形状中清除钻屑,即使不存在传统钻头泥包条件。较长的叶片支柱(blade standoff)以提供较大的间隙有时导致提高的钻探速率。该设计中的一个折中是对于相同流速,较大的流动横截面导致流速的降低。有可能摩擦的降低会改进材料离开孔的底部的流动,甚至在本身不发生钻头泥包的情况下。
[0011] 在钻头中设计喷嘴和流体流道用于以水力能除去材料。钻头卖家应用复杂的计算流体动力学模型以使这些流体路径最佳化,调整喷嘴的数目和位置以及钻头的叶片之间的空间的几何。
[0012] 已知在许多应用中,较多的水力能提供提高的钻探速率。然而,存在对提高钻头上的水力能施以限制的其它因素,例如最大流速、工具上的压降、表面压力极限等。即使用在钻头的一些面积上的高速钻井液射流,一些其它面积也具有低速度并经受钻头泥包。当钻屑附着在钻头的一个面积上时,引发钻屑增大过程并可能发生钻头泥包。
[0013] 由于它对造井方法的影响,石油工业尝试减轻钻头泥包。至少一个钻头厂商将聚合物涂层施涂于钻头表面上。Baker Hughes(美国专利No.6,450,271B2),“Surface Modifications for Rotary Drill Bits”公开了将低摩擦涂层施涂于钻头上。公开了DLC(“类金刚石碳”)类和含碳涂层的概念。另一Baker Hughes参考文献为美国专利公开No.2012/0205162 A1,“Downhole Tools Having Features for Reducing Balling,Methods of Forming Such Tools,and Methods of Repairing Such Tools”。该参考文献公开了可脱除涂覆材料,包括DLC涂层的使用。该卖主在IADC/SPE74514,“Innovative Low-Friction Coating Reduces PDC Balling and Doubles ROP Drilling Shales with WBM”中提供了聚合物涂覆钻头的益处的实例。另一卖主Schlumberger随Norwegian company,Lyng Drilling工作以将金属涂层施涂于钻头表面上以消除钻头泥包(http://www.slb.com/services/drilling/drill_bits/lyng_pdc_bits/antiballing_coating.aspx)。这些参考文献没有公开本文公开的先进多层碳基涂层体系,也没有公开制造这类碳基涂层体系所需的生产调节。
[0014] 降低摩擦是许多油气旋转钻头应用中的一个关键要求。降低摩擦的一种方法是改进钻井泥浆的润滑度。在工业钻井操作中,尝试主要通过使用包含各类昂贵且通常环境不友好的添加剂的水和/或油基泥浆溶液而降低摩擦。柴油和其它矿物油也通常用作润滑剂,但泥浆的适当处置可能是昂贵的。已知某些矿物如膨润土帮助降低钻柱组合与裸眼井之间的摩擦。其它添加剂包括植物油、沥青石墨、清净剂和胡桃壳,但各自具有其自身的限制。另一问题是这一事实:COF随着温度提高而提高,尤其是用水基泥浆,而且对于油基流体而言也是如此。
[0015] 几个参考文件提供了摩擦降低提高钻速的证明。例如,SPE 28708,“Innovative Additives Can Increase the Drilling Rates of Water-Based Muds”,F.B.Growcock等 人(1994);和 SPE 48940,“Improved Sliding Through Chemistry”,R.G.Bland 和W.D.Halliday(1998)。
[0016] 降低钻井摩擦的又一方法是在钻杆组合上使用表面耐磨堆焊材料(在本文中也称为环形加硬层或表面堆焊硬合金)。通过引用全部并入本文中的美国专利No.4,665,996公开了在钻杆的主要承载表面进行表面耐磨堆焊在降低钻杆与套管岩石之间的摩擦中的用途,其中钻杆的主要承载表面具有如下组成的合金:50-65%钴、25-35%钼、1-18%铬、2-10%和小于0.1%碳。因此,旋转钻探操作,尤其是定向钻探所需的转矩降低。所公开的合金还提供钻杆上优异的抗磨损性,同时降低井套管上的磨损。环形加硬层可使用堆焊或热喷雾方法应用于一部分钻头上。
[0017] 钻头体的磨损和侵蚀可导致钻头破损。目前,降低磨损的一个优选解决方法是将一部分钻头表面耐磨堆焊。在本申请中,表面耐磨堆焊在钻头上经受实质性磨损的位置应用于体钻头。表面耐磨堆焊通常不应用于钻头泥包增大累积的位置,因为这些面积通常不磨损,且已知表面耐磨堆焊材料不具有抗泥包性能。表面耐磨堆焊可应用于固定切割器PDC和牙轮钻头用于抗磨损性。
[0018] 美国专利Nos.7,182,160、6,349,779和6,056,073公开了钻杆中有带槽片段的设计以改进环形空间中的流体流动并降低与井眼壁接触和摩擦。前述申请公开了图案化表面耐磨堆焊面积在摩擦降低涂层应用中降低钻井摩擦和磨损中的用途,例如标题为“用于钻柱组合的超低摩擦涂层”的美国专利公开No.2011/0220,415。
[0019] 目前公开内容的需要:
[0020] 考虑到钻头和钻具在钻井方法中的重要作用,需要具有在抗泥包及降低摩擦和磨损方面改进的性能的涂层。减少泥包和摩擦的改进涂层有利地证明相对于现有技术涂层更高的耐久性。对钻具的生产方法的改进提供该技术的最有利的执行。
[0021] 概述
[0022] 本文所述先进涂层的性能使得必须改进钻具的生产方法以使这类涂层的益处最大化。
[0023] 根据本公开内容的一个方面,生产钻具的有利方法包括:提供具有用于安装切割器、插入物、轴承、辊、其它非涂覆组件或其组合的指定位置的一个或多个钻具组件;清洁具有指定位置的所述一个或多个钻具组件以除去油、有机化合物和/或被吸附物;将掩蔽物应用用于安装切割器、插入物、轴承、辊、其它非涂覆组件或其组合的所述经清洁的指定位置上;将多层低摩擦涂层施涂于所述经清洁的指定位置上;从所述一个或多个钻孔组件的所述经清洁且涂覆的指定位置除去掩蔽物;将切割器和插入物插入并将移动部件组装到一个或多个钻具组件的经清洁且涂覆的指定位置;和组装一个或多个钻具组件以形成钻具。多层低摩擦涂层包含:i)选自由CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合组成的组的下层,其中下层的厚度为0.1-100μm,ii)选自由Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合组成的组的附着力促进层,其中附着力促进层的厚度为0.1-50μm且与下层的表面毗邻;和iii)选自由富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合组成的组的功能层,其中功能层为0.1-50μm且与附着力促进层的表面毗邻。附着力促进层置于下层与功能层之间,并且也可提供附加的韧性增强功能。低摩擦涂层的功能层的摩擦系数如通过环摩擦试验(block on ring friction test)测量为小于或等于0.15,且低摩擦涂层的抗磨损性如通过改良的ASTM G105磨损试验测量得到小于或等于20μm的磨痕深度和小于或等于0.03g的重量损失。
[0024] 制备具有多层低摩擦涂层的钻具的所述方法的这些以及其它特征和属性从以下详细描述中获悉,特别是在与所附图一起阅读时。
[0025] 附图简述
[0026] 为帮助相关领域的技术人员制备和使用其主题,参考附图,其中:
[0027] 图1描述了在高砂CETR-BOR试验以后,沉积有不同涂层结构的试样的X-截面显微镜照片,其中底层构成(含)基质,附着力促进(韧性增强)CrN层将顶部功能层与基质分开。关于该结构的更详细信息可在下表1中找到。
[0028] 图2阐述了经受泥包的钻具的面积,其中图2a阐述了PDC钻头的排屑槽的泥包;图2b显示了稳定器叶片的排屑槽的泥包;图2c描述了三刃钻头和扩眼器的排屑槽中出现的泥包。
[0029] 定义
[0030] “底部钻具组合”(BHA)包含一个或多个装置,包括但不限于:稳定器、可变径稳定器、回扩钻头(back reamer)、钻铤、挠性钻铤(flex drill collar)、旋转可控工具(rotary steerable tool)、牙轮扩眼器、震击器、井下达、随钻录井(LWD)工具、随钻测量(MWD)工具、取心工具、管下扩眼器、扩眼器、定中心装置、涡轮机、弯外壳定向钻井用机座、弯曲马达(bent motor)、钻进震击器、加速震击器、过渡接头、下击器、转矩减少工具、浮接头、打捞工具、打捞用震击器、套洗管、测井下井仪器、测量工具接头(survey tool sub)、这些装置中任一种的非磁性配对物(non-magnetic coounterpart)及其组合和它们的相关外部连接。
[0031] “毗邻”指相互邻接使得它们可共享一个共同的边或面的物体。“不相邻”指由于它们彼此偏离或位移而不具有共同的边或面的物体。例如,钻具接头为不相邻的较大直径圆柱体,因为较小直径圆柱体钻杆位于钻具接头之间。
[0032] “钻铤”为底部钻具组合中接近钻头的厚壁管。钻铤的刚度帮助钻头直直地钻探,且钻铤的重量用于将重量施加在钻头上以向前钻探。
[0033] “钻柱”定义为管状管道的整个长度,其包含从井孔的表面至底部构成钻井钻具组合的方钻杆(Kelly)(如果存在的话)、钻杆和钻铤。钻柱不包含钻头。在随钻套管操作(casing-while-drilling operation)的特殊情况下,用于钻入地下岩层的套管柱被认为是钻柱的一部分。
[0034] “钻柱组合”定义为钻柱和底部钻具组合或挠性管和底部钻具组合的组合。钻柱组合不包含钻头。
[0035] “钻柱”定义为钻杆的柱或杆,其具有连接的钻具接头、在钻柱与包含钻具接头的底部钻具组合之间的过渡管,包含钻具接头的厚壁钻杆和耐磨垫,其将流体和旋转功从顶部驱动或方钻杆传递至钻铤和钻头。在一些参考文件中,但不是在本文件中,术语“钻柱”包括底部钻具组合中的钻杆和钻铤。
[0036] “钻具”包括钻头、稳定器、扩眼元件和连接在钻柱组合或底部钻具组合上或包括在其中的其它装置。
[0037] “震击器”为改良的钻铤,其具有吸收冲击的弹簧状元件以提供震击器两端之间的相对轴向运动。震击器有时用于钻探其中可能发生高轴向冲击水平的非常硬的岩层。
[0038] “滑动接触”指相对运动的两个主体之间的摩擦接触,无论是通过流体还是固体分开,后者包括流体中的颗粒(膨润土、玻璃珠等),或者用于导致滚动以减轻摩擦的装置。相对运动的两个主体的一部分接触表面总是为滑动状态,因此是滑动的。
[0039] “钻具接头”为用于管道的锥形螺纹连接元件,其通常由特殊钢合金制成,其中销和双母螺纹接头(box connection)(分别外部和内部螺纹)固定在管道的每一端上。钻具接头通常用在钻杆上,但也可用在作业管柱和其它OCTG上,且它们摩擦焊接在管道的末端。
[0040] “顶部驱动”为用于由位于运输车上的驱动系统使钻杆旋转的方法和设备,所述运输车沿着连接在钻机井架(drilling rig mast)上的轨道向上和向下移动。顶部驱动为操作钻杆的优选方法,因为它促进管的同时旋转和往复以及钻井液的循环。在定向钻井操作中,在使用顶部驱动设备时,通常存在较少的粘结管的险。
[0041] “作业管柱”为用于进行井眼操作,例如使测井工具运行、将材料从井眼中打捞出来或者进行挤水泥工作的管道连接件。
[0042] “涂层”包含一个或多个相邻层和任何包含的界面。涂层可置于主体组件的基底基质材料上、置于基底基质材料上的环形加硬层上或者另一涂层上。
[0043] “低摩擦涂层”为在参比条件下摩擦系数小于0.15的涂层。典型的低摩擦涂层可包含一个或多个下层、附着力促进层和功能层。
[0044] “层”为可用作特殊功能目的如降低的摩擦系数、高刚度或用于上覆层的机械支撑或保护下面的层的一定厚度的材料。
[0045] “低摩擦层”或“功能层”为提供低摩擦涂层中的低摩擦的层。它也可提供改进的磨耗和抗磨损性。
[0046] “附着力促进层”提供多层涂层中功能层和/或下层之间增强的附着力。它也可提供增强的韧性。
[0047] “下层”施涂于主体组件基质材料或者环形加硬层或隔离层的外表面与附着力促进层或功能层之间或者多层涂层中功能层和/或附着力促进层之间。
[0048] “递变层”为其中层的至少一种成分、元素、组分或固有性能随着层或其一些部分的厚度而变化的层。
[0049] “隔离层”为置于主体组件基质材料或环形加硬层的外表面与可以为另一隔离层或包含低摩擦涂层的层之间的层。可存在以该方式插入的一个或多个隔离层。隔离层可包括但不限于包含低摩擦涂层的下层。
[0050] “环形加硬层”为置于主体组件基质材料的外表面与隔离层或者一个包含低摩擦涂层的层之间的层。环形加硬层可在油气钻探工业中用于防止钻具接头和套管磨损。
[0051] “界面”为从一个层至相邻层的过渡区域,其中一种或多种组分材料组成和/或属性值从表征各相邻层的值的5%至95%改变。
[0052] “递变界面”为设计以具有从一个层至相邻层的组分材料组成和/或属性值的梯度变化的界面。例如,递变界面可由于逐步停止第一层的加工,同时逐步开始第二层的加工而产生。
[0053] “非递变界面”为具有从一个层至相邻层的组分材料组成和/或属性值的突然变化的界面。例如,非递变界面可由于停止一个层的加工,随后开始第二层的加工而产生。
[0054] (脚注:以上定义中的几个来自A Dictionary for the Petroleum Industry,第3版,The University of Texas at Austin,Petroleum Extension Service,2001。)[0055] 详述
[0056] 本文详细描述和权利要求书中的所有数值由“约”或“大约”所述值修饰,并考虑本领域技术人员预期的实验误差和变化。
[0057] 本公开内容涉及在钻具上使用类金刚石碳(DLC)涂层技术以能够通过减少钻头泥包和钻头摩擦赋予更快的钻探。钻探期间由钻头制造的钻屑可附着在钻头表面,特别是在具有低流速的区域。该泥包可发生在其中由钻井液施加的剪切应力不足以克服粘结力以保持钻屑流动的钻头和钻具表面。当原始材料妨碍更多钻屑流动且材料形成或“增大”时,钻屑累积。材料的这一堆积降低钻头切割深度和钻头的总效力。
[0058] 将类金刚石碳涂层置于钻头上,包括沿着流道(并且包括“排屑槽”),会提高钻头的总疏水性并降低钻头表面的有效摩擦系数,使钻屑累积和钻头泥包最小化。注意该摩擦系数不同于“钻头摩擦因子”的概念,“钻头摩擦因子”指钻头上每单位重量产生的钻头转矩的量,然而降低钻头表面的滑动摩擦系数实际上可降低钻头上每单位重量的转矩。钻头上的该低摩擦涂层降低由于钻头表面摩擦岩石而导致的寄生转矩,产生更有效的钻头设计。与钢-岩石界面的0.35或更大相比,得到DLC表面与岩石配合端面材料摩擦的小于0.2的摩擦系数。
[0059] DLC涂层具有与其它类型的涂层相比的以下优点:(1)它们具有在钻头上优异的附着力,因为它们以在钻头-涂层界面上产生化学键的方式沉积;(2)它们比聚合物涂层更硬,因此持续更久;和(3)当涂层最终磨损时,它们以小微米级片磨耗掉或分层,这不会冒阻塞井的风险。
[0060] 如果改进钻具生产方法以适应DLC涂层性能,则所公开的涂层会提供更多益处。例如,取决于施涂的涂层,钻头或钻具的温度在施涂涂层以后应受限制。另外,将要涂覆的表面抛光最好地可在安装切割器或焊插入物以前实现。另外,表面耐磨堆焊可宽泛地施涂于钢钻具的表面,不仅包括经受磨损的面积,而且包括可经受泥包并要求涂层耐久性的那些面积。表面耐磨堆焊提供较硬的基质用于涂覆且在实验室和现场试验中发现有助于较长的DLC涂层寿命。
[0061] 由于本文公开的这些和其它原因,改进生产涂覆钻具的方法会提供可得自这些涂层的使用的最大益处。
[0062] 相关申请
[0063] 通过引用全部并入本文中的美国专利No.8,220,563公开了超低摩擦涂层在油气钻探应用中所用钻柱组合上的用途。其它油气井生产设备可获益于本文所述涂层的使用。钻柱组合为可获益于涂层的使用的生产设备的一个实例。操作钻柱组合的几何为包含圆柱体的一类应用的一个实例。在钻柱的情况下,实际钻柱组合为与套管或裸井,外部圆柱体滑动接触的内部圆柱体。这些设备可具有变化的半径,作为选择可描述为包含多个具有变化半径的毗邻圆柱体。如下文所述,油气井生产操作中存在圆柱体的几种其它情况,由于相对运动而滑动接触或者通过流体流接触的固定物体。本发明涂层可通过考虑待解决的相关问题,通过评估待解决的接触或流动问题以减轻摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀或沉积物,以及通过明智地考虑如何将这类涂层施涂于具体设备上以便最大利用和益处而有利地用于这些应用中的每一个。
[0064] 通过引用全部并入本文中的美国专利No.8,261,841公开了超低摩擦涂层在油气井生产设备上的用途以及制备和使用这类涂覆设备的方法。在一个形式中,涂覆油气井生产设备包括包含一个或多个主体和在一个或多个主体的至少一部分上的涂层的油气井生产设备,其中涂层选自无定形合金、磷含量大于12重量%的热处理化学电镀基镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼及其组合。涂覆油气井生产设备可提供降低的摩擦、磨损、腐蚀、侵蚀和建井沉积物、油气的完井和开采。
[0065] 通过引用全部并入本文中的美国专利No.8,286,715公开了超低摩擦涂层在有套筒油气井生产设备上的用途以及制备和使用这类涂覆设备的方法。在一个形式中,涂覆套筒油气井生产设备包括包含一个或多个主体和接近一个或多个主体的外表面或内表面的一个或多个套筒以及在内部套筒表面、外部套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层的油气井生产设备,其中涂层选自无定形合金、磷含量大于12重量%的热处理化学镀或电镀基镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、硼化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼及其组合。涂覆套筒油气井生产设备可提供降低的摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和建井沉积物、油气的完井和开采。
[0066] 通过引用全部并入本文中的美国专利公开No.2011-0220415A1公开了用于地下钻井操作的具有超低摩擦涂层的钻柱组合。在一个形式中,用于地下旋转钻探操作的涂覆钻柱组合包括具有暴露外表面的主体组件,其包含与底部钻具组合连接的钻柱,与底部钻具组合连接的挠性管或与底部钻具组合连接的套管柱,以及在主体组件的至少一部分暴露外表面上的超低摩擦涂层、在主体组件的至少一部分暴露外表面上的环形加硬层、在至少一部分环形加硬层上的超低摩擦涂层,其中超低摩擦涂层包含一个或多个超低摩擦层以及置于环形加硬层与超低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层。涂覆钻柱组合提供钻直井或定向钻探期间降低的摩擦、振动(粘滑和扭转)、磨耗和磨损以容许改进的钻井速度并赋予具有现有顶部驱动的超延伸钻井。
[0067] 通过引用全部并入本文中的美国专利公开No.2011-0220348A1公开了涂覆油气井生产设备以及制备和使用这类涂覆设备的方法。在一个形式中,涂覆设备包含一个或多个圆柱体、在一个或多个圆柱体的至少一部分暴露外表面、暴露内表面或者暴露外表面或内表面的组合上的环形加硬层,和在一个或多个圆柱体的内表面、外表面或其组合的至少一部分上的涂层。涂层包含一个或多个超低摩擦层以及置于环形加硬层与超低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层。涂覆油气井生产设备可提供降低的摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和建井沉积物、油气的完井和开采。
[0068] 通过引用全部并入本文中的美国专利公开No.2011-0203791A1公开了涂覆套筒油气井生产设备以及制备和使用这类涂覆套筒设备的方法。在一个形式中,涂覆套筒油气井生产设备包含一个或多个圆柱体、接近一个或多个圆柱体的外径或内径的一个或多个套筒、在一个或多个套筒的至少一部分暴露外表面、暴露内表面或者暴露外表面或内表面组合上的环形加硬层,和在一个或多个套筒的内部套筒表面、外部套筒表面或其组合的至少一部分上的涂层。涂层包含一个或多个超低摩擦层以及置于环形加硬层与超低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层。涂覆套筒油气井生产设备可提供降低的摩擦、磨损、侵蚀、腐蚀和建井沉积物、油气的完井和开采。
[0069] 通过引用全部并入本文中的美国专利公开No.2011-0162751A1公开了涂覆石油化学和化学工业设备以及制备和使用这类涂覆设备的方法。在一个形式中,涂覆石油化学和化学工业设备包括包含一个或多个主体和在一个或多个主体的至少一部分上的涂层的石油化学和化学工业设备,其中涂层选自无定形合金、磷含量大于12重量%的热处理化学镀或电镀基镍-磷复合物、石墨、MoS2、WS2、富勒烯基复合物、硼化物基金属陶瓷、准晶材料、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)、氮化硼及其组合。涂覆石油化学和化学工业设备可提供降低的摩擦、磨损、腐蚀以及优越性能所要求的其它性能。
[0070] 通过引用全部并入本文中的2011年10月3日提交的美国临时专利申请No.61/542,501公开了真空涂覆用于油气开采、钻探、完井和生产操作中的管式设备的外表面以降低摩擦、降低侵蚀和防腐蚀的方法和系统。这些方法包括将管式设备密封在真空室中使得整个设备不包含在室内的实施方案。这些方法还包括在涂覆以前将管式设备表面处理的实施方案。另外,这些方法包括使用多个设备、多个真空室和多个涂覆来源结构真空涂覆管式设备的实施方案。
[0071] 通过引用全部并入本文中的2012年12月21日提交的美国专利申请序列号No.13/724,403公开了具有改进的磨耗、抗磨损性的低摩擦涂层,和制备该涂层的方法。在一个形式中,涂层包括:i)选自由CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合组成的组的下层,其中下层的厚度为0.1-100μm,ii)选自由Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合组成的组的附着力促进层,其中附着力促进层的厚度为
0.1-50μm且与下层的表面毗邻,和iii)选自由富勒烯基复合物、金刚石基材料、类金刚石碳及其组合组成的组的功能层,其中功能层为0.1-50μm且与附着力促进层的表面毗邻。
[0072] 示例多层低摩擦涂层实施方案:
[0073] 申请人发现了产生在严重磨耗/负载条件下改进的涂层耐久性的多层低摩擦涂层。在一个优选形式中,这些低摩擦涂层包含类金刚石碳(DLC)作为涂层中的一个层。
[0074] DLC涂层提供减轻上述负面效应的有吸引力的选择,因为(a)可实现非常低的COF值(<0.15,甚至<0.1),(b)COF随着温度变化保持极大地稳定,和(c)极大地降低由硬颗粒2 3
如碳化物导致的磨耗磨损问题。DLC涂层的典型结构要求变化形式的杂化(即sp或sp 类
3
特征)的非常硬无定形的碳的层。通常,随着sp含量提高,DLC变得较硬,但还可发展更多
2 3 2
残余压缩应力。硬度和残余应力可通过改变sp/sp比控制。提高sp 含量(即石墨状性
2 3
质)通常降低硬度和压缩强度。sp/sp比和总化学可通过控制沉积方法(例如PVD、CVD或PACVD)期间的各种参数,例如基质偏置、气体混合物比、激光能量密度(如果适用的话)、基质、沉积温度、氢化水平、DLC层中掺杂剂(金属和/或非金属)的使用等而控制。然而,DLC
3
层中残余应力的降低通常通过DLC的硬度降低(和sp含量降低)实现。通常高度sp3类DLC涂层可实现非常高的硬度值(~4500-6000Hv),这些涂层显示出>>1GPa的压缩应力,这对上述应用中的耐久性是有害的。
[0075] 因此,需要具有变化的sp2/sp3比的新DLC组合物,旨在提供较高硬度值(1700-5500Hv)以用于延伸作业范围旋转钻探设备、涂覆油气井生产设备(有套筒和无套筒)以及石油化学和化学工艺装备和设备中。低于~1500Hv的硬度值被认为不适于预想的应用空间,因为预期较硬的颗粒(例如砂、油基钻井泥浆等)的磨耗性质快速地磨掉DLC涂层。
[0076] 尽管典型的DLC涂层不提供改进的硬度(2500Hv),需要考虑较硬的方案(Hv>3000),同时控制残余应力以形成最佳的涂层厚度。另外,需要使在磨耗3体接触方案的存在下下层基质的塑性变形最小化。
[0077] 在3体接触方案下(即在研磨颗粒的存在下),类金刚石碳(DLC)涂层的耐久性受涂层的总抗磨损性和可通过由于高局部应力的产生导致的下面基质的塑性变形促进的涂层散裂/分层限制。为使DLC涂层在严格负载/磨耗环境中具有增强的耐久性,需要抑制现有失败模式以改进总耐久性的技术。
[0078] 在一个形式中,本公开内容的多层低摩擦涂层包含与用于涂覆的基质的表面毗邻的下层、与下层的表面毗邻的附着力促进和韧性增强层和与附着力促进层的表面毗邻的功能层。因此,附着力促进层置于下层与功能层之间。功能层为多层低摩擦涂层的最外暴露层。
[0079] 用于涂覆的基质的表面可由多种不同的材料制成。用于涂覆的非限定性示例基质包括钢、不锈钢、环形加硬层、铁合金、基合金、基合金、陶瓷和镍基合金。非限定性示例环形加硬层材料包括金属陶瓷基材料、金属基体复合物、纳米结晶金属合金、无定形合金和硬金属合金。其它非限定性示例类型的环形加硬层包括分散在金属合金基体中的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和化物。这类环形加硬层可通过堆焊、热喷雾或激光/电子束熔覆而沉积。环形加硬层的厚度可以是外部涂层厚度的几倍数量级或者等于外部涂层的厚度。非限定性示例环形加硬层厚度为钻柱组合表面以上1mm、2mm和3mm。环形加硬层表面可具有图案化设计以减少贡献于磨损的研磨颗粒的夹带。本文所述多层低摩擦涂层可沉积于环形加硬层图案上。环形加硬层图案可包含凹陷和凸起区域,且环形加硬层中的厚度变化可与它的总厚度一样多。
[0080] 本公开内容的多层低摩擦涂层可施涂于选自以下示例的非限定性类型的装置的一部分表面上:用于地下旋转钻探的钻头或钻具、用于地下旋转钻探的钻柱组合以及稳定器和定中心装置。另外,本公开内容的多层低摩擦涂层可施涂于本公开内容的定义部分中所述器件的一部分表面上。
[0081] 本文所述低摩擦涂层的下层可由多种不同的材料制成,包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。下层的厚度可以为0.1-100μm,或者1-75μm,或者2-50μm,或者3-35μm,或者5-25μm。下层可具有800-4000VHN,或者1000-3500VHN,或者1200-3000VHN,或者1500-2500VHN,或者1800-2200VHN的硬度。
[0082] 本文所述低摩擦涂层的附着力促进层不仅改进下层与功能层之间的附着力,而且增强涂层的总韧性。为此,它在本文中也可称为韧性增强层。本文所述低摩擦涂层的附着力促进层可由多种不同的材料制成,包括但不限于Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。附着力促进层的厚度可以为0-60μm,或者0.01-50μm,或者0.1-25μm,或者0.2-20μm,或者0.3-15μm,或者0.5-10μm。附着力促进层可具有200-2500VHN,或者500-2000VHN,或者800-1700VHN,或者1000-1500VHN的硬度。在下层和附着力促进层的界面上还通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者
0.5-5μm。
[0083] 本文所述低摩擦涂层的功能层可由多种不同的材料制成,包括但不限于富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合。非限定性示例金刚石基材料包括化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。本文所述低摩擦涂层的功能层有利地为类金刚石碳(DLC)涂层,更特别地,DLC涂层可选自四面体无定形碳(ta-C)、四面体无定形氢化碳(ta-C:H)、类金刚石氢化碳(DLCH)、聚合物状氢化碳(PLCH)、石墨状氢化碳(GLCH)、含硅类金刚石碳(Si-DLC)、含钛类金刚石碳(Ti-DLC)、含铬类金刚石碳(Cr-DLC)、含金属类金刚石碳(Me-DLC)、含氧类金刚石碳(O-DLC)、含氮类金刚石碳(N-DLC)、含硼类金刚石碳(B-DLC)、氟化类金刚石碳(F-DLC)、含硫类金刚石碳(S-DLC)及其组合。功能层就改进的耐久性、摩擦降低、附着力和机械性能而言分级。功能层的厚度可以为0.1-50μm,或者0.2-40μm,或者0.5-25μm,或者1-20μm,或者2-15μm,或者5-10μm。功能层可具有1000-7500VHN,或者1500-7000VHN,或者2000-6500VHN,或者2200-6000VHN,或者2500-5500VHN,或者3000-5000VHN的维氏硬度。功能层可具有0.01μm至1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至
0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。在附着力促进层和功能层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0084] 在本公开内容的另一形式中,包含与用于涂覆的基质的表面毗邻的下层、与下层的表面毗邻的附着力促进层和与附着力促进层的表面毗邻的功能层的多层低摩擦涂层可进一步包含与功能层的表面毗邻的第二附着力促进层和与第二附着力促进层的表面毗邻的第二功能层。因此,第二附着力促进层置于上述功能层与第二功能层之间。第二功能层是多层低摩擦涂层的最外暴露层。
[0085] 第二附着力促进层可由以下非限定性示例材料制成:Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。第二附着力促进层的厚度可以为0-60μm,或者0.1-50μm,或者1-25μm,或者2-20μm,或者3-15μm,或者5-10μm。第二附着力促进层可具有200-2500VHN,或者500-2000VHN,或者800-1700VHN,或者1000-1500VHN的维氏硬度。在功能层和第二附着力促进层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0086] 第二功能层也可由多种不同的材料制成,包括但不限于富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合。非限定性示例金刚石基材料包括化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。非限定性示例类金刚石碳包括ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合。第二功能层的厚度可以为0.1-50μm,或者0.2-40μm,或者0.5-25μm,或者1-20μm,或者2-15μm,或者5-10μm。第二功能层可具有1000-7500VHN,或者1500-7000VHN,或者2000-6500VHN,或者
2500-6000VHN,或者3000-5500VHN,或者3500-5000VHN的硬度。第二功能层可具有0.01μm至1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至
0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。第二附着力促进层和第二功能层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者
0.1-8μm,或者0.5-5。
[0087] 包含第二附着力促进层和第二功能层的多层低摩擦涂层还可任选包含置于功能层与第二附着力促进层之间的第二下层。本文所述低摩擦涂层的第二下层可由多种不同的材料制成,包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。第二下层的厚度可以为0.1-100μm,或者2-75μm,或者2-75μm,或者3-50μm,或者5-35μm,或者10-25μm。第二下层可具有800-3500VHN,或者1000-3300VHN,或者1200-3000VHN,或者1500-2500VHN,或者1800-2200VHN的硬度。
[0088] 在本公开内容的又一形式中,包含与用于涂覆的基质的表面毗邻的下层、与下层的表面毗邻的附着力促进层和与附着力促进层的表面毗邻的功能层的多层低摩擦涂层可进一步包含1-100个系列的增量涂层,其中各系列增量涂层包含增量附着力促进层、增量功能层和任选增量下层的组合,其中各系列增量涂层配置如下:A)与功能层和增量附着力促进层的表面毗邻的任选增量下层;其中任选增量下层置于功能层与增量附着力促进层之间;B)与功能层或任选增量下层和增量功能层的表面毗邻的增量附着力促进层;且增量附着力促进层置于功能层与增量功能层之间或者任选增量下层与增量功能层之间;和C)增量功能层与增量附着力促进层的表面毗邻。
[0089] 本文所述低摩擦涂层的任选增量下层可由多种不同的材料制成,包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。该任选增量下层的厚度可以为0.1-100μm,或者2-75μm,或者2-75μm,或者3-50μm,或者5-35μm,或者10-25μm。该任选增量下层可具有800-3500VHN,或者1000-3300VHN,或者1200-3000VHN,或者1500-2500VHN,或者1800-2200VHN的硬度。
[0090] 增量附着力促进层可由以下非限定性示例材料制成:Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。增量附着力促进层的厚度可以为0-60μm,或者0.1-50μm,或者1-25μm,或者2-20μm,或者3-15μm,或者5-10μm。增量附着力促进层可具有200-2500VHN,或者500-2000VHN,或者800-1700VHN,或者1000-1500VHN的硬度。该任选增量下层和该增量附着力促进层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0091] 增量功能层可由多种不同的材料制成,包括但不限于富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合。非限定性示例金刚石基材料包括化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。非限定性示例类金刚石碳包括ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合。增量功能层的厚度可以为0.1-50μm,或者0.2-40μm,或者0.5-25μm,或者1-20μm,或者2-15μm,或者5-10μm。增量功能层可具有1000-7500VHN,或者1500-7000VHN,或者2000-6500VHN,或者
2200-6000VHN,或者2500-5500VHN,或者3000-5000VHN的硬度。增量功能层可具有0.01μm至1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至
0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。在增量附着力促进层和增量功能层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者
0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0092] 本公开内容的多层低摩擦涂层的总厚度可以为0.5-5000μm。总多层涂层厚度的下限可以为0.5、0.7、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0或20.0μm厚度。总多层涂层厚度的上限可以为25、50、75、100、200、500、1000、3000、5000μm厚度。
[0093] 本公开内容的多层低摩擦涂层得到如通过环块摩擦试验测量为小于或等于0.15,或者小于或等于0.12,或者小于或等于0.10,或者小于或等于0.08的低摩擦涂层的功能层摩擦系数。摩擦力可如下计算:摩擦力=法向力×摩擦系数。本公开内容的多层低摩擦涂层得到如通过环块摩擦试验测量为小于或等于500μm,或者小于或等于300μm,或者小于或等于100μm,或者小于或等于50μm的配合端面磨痕深度。
[0094] 本公开内容的多层低摩擦涂层还得到出乎意料的抗磨损性改进。改良ASTM G105磨损试验可用于测量抗磨损性。特别地,本公开内容的多层低摩擦涂层得到如通过改良ASTM G105磨损试验关于磨痕深度和重量损失测量比相同功能层的单层涂层低至少5倍,或者低至少4倍,或者低至少2倍的抗磨损性。本公开内容的多层低摩擦涂层得到借助改良ASTM G105磨损试验为小于或等于20μm,或者小于或等于15μm,或者小于或等于10μm,或者小于或等于5μm,或者小于或等于2μm的磨痕深度。本公开内容的多层低摩擦涂层得到借助改良ASTM G105磨损试验为小于或等于0.03g,或者小于或等于0.02g,或者小于或等于0.01g,或者小于或等于0.005g,或者小于或等于0.004g,或者小于或等于0.001g的重量损失。
[0095] 制备多层低摩擦涂层实施方案的示例方法:
[0096] 本公开内容的多层低摩擦涂层可通过多种方法制备。在一个示例形式中,制备低摩擦涂层的方法包括以下步骤:i)提供用于涂覆的基质,ii)在基质的表面上沉积下层,iii)在下层的表面上沉积与下层的表面毗邻的附着力促进层,iv)在附着力促进层的表面上沉积与附着力促进层的表面毗邻的功能层。
[0097] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的下层可由多种不同的材料制成,包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。下层的厚度可以为0.1-100μm,或者2-75μm,或者2-75μm,或者3-50μm,或者5-35μm,或者10-25μm。下层可具有800-3500VHN,或者1000-3300VHN,或者1200-3000VHN,或者1500-2500VHN,或者
1800-2200VHN的硬度。
[0098] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的附着力促进层不仅改进下层与功能层之间的附着力,而且改进涂层的韧性。为此,它在本文中也可称为韧性增强层。本文所述低摩擦涂层的附着力促进层可由多种不同的材料制成,包括但不限于Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。附着力促进层的厚度可以为0-60μm,或者0.1-50μm,或者1-25μm,或者2-20μm,或者3-15μm,或者5-10μm。附着力促进层可具有200-2500VHN,或者500-2000VHN,或者800-1700VHN,或者1000-1500VHN的硬度。在下层和附着力促进层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者
0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0099] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的功能层可由多种不同的材料制成,包括但不限于富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合。非限定性示例金刚石基材料包括化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。非限定性示例类金刚石碳包括ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合。功能层的厚度可以为0.1-50μm,或者0.2-40μm,或者0.5-25μm,或者1-20μm,或者2-15μm,或者5-10μm。功能层可具有1000-7500VHN,或者1500-7000VHN,或者2000-6500VHN,或者2200-6000VHN,或者2500-5500VHN,或者3000-5000VHN的硬度。功能层可具有0.01μm至1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。在附着力促进层和功能层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0100] 上述制备低摩擦涂层的方法可进一步包括沉积附着力促进层、功能层和任选下层(在功能层与附着力促进层之间)的其它层以进一步增强多层低摩擦涂层的抗磨损性、摩擦系数和其它性能。在另一示例形式中,制备包含与用于涂覆的基质的表面毗邻的下层、与下层的表面毗邻的附着力促进层和与附着力促进层的表面毗邻的功能层的低摩擦涂层的方法可进一步包括沉积1-100个系列的增量涂层的步骤,其中各系列增量涂层包含增量附着力促进层、增量功能层和任选增量下层的组合,其中各系列增量涂层配置如下:A)与功能层和增量附着力促进层的表面毗邻的任选增量下层;其中任选增量下层置于功能层与增量附着力促进层之间;B)与功能层或任选增量下层和增量功能层的表面毗邻的增量附着力促进层;且增量附着力促进层置于功能层与增量功能层之间或者任选增量下层与增量功能层之间;和C)增量功能层与增量附着力促进层的表面毗邻。
[0101] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的任选增量下层可由多种不同的材料制成,包括但不限于CrN、TiN、TiAlN、TiAlVN、TiAlVCN、TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN及其组合。任选增量下层的厚度可以为0.1-100μm,或者2-75μm,或者2-75μm,或者3-50μm,或者5-35μm,或者10-25μm。任选增量下层可具有800-3500VHN,或者1000-3300VHN,或者1200-3000VHN,或者1500-2500VHN,或者1800-2200VHN的硬度。
[0102] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的增量附着力促进层可由以下非限定性示例材料制成:Cr、Ti、Si、W、CrC、TiC、SiC、WC及其组合。增量附着力促进层的厚度可以为0-60μm,或者0.1-50μm,或者1-25μm,或者2-20μm,或者3-15μm,或者5-10μm。增量附着力促进层可具有200-2500VHN,或者500-2000VHN,或者800-1700VHN,或者1000-1500VHN的硬度。在该任选增量下层和增量附着力促进层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0103] 本文所述制备低摩擦涂层的方法的增量功能层可由多种不同的材料制成,包括但不限于富勒烯基复合物、石墨、金刚石基材料、类金刚石碳(DLC)及其组合。非限定性示例金刚石基材料包括化学蒸气沉积(CVD)金刚石或多晶金刚石复合片(PDC)。非限定性示例类金刚石碳包括ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、N-DLC、O-DLC、B-DLC、Me-DLC、F-DLC及其组合。增量功能层的厚度可以为0.1-50μm,或者0.2-40μm,或者0.5-25μm,或者1-20μm,或者2-15μm,或者5-10μm。增量功能层可具有1000-7500VHN,或者1500-7000VHN,或者2000-6500VHN,或者2200-6000VHN,或者2500-5500VHN,或者
3000-5000VHN的硬度。增量功能层可具有0.01μm至1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。在增量附着力促进层和增量功能层的界面上也通常存在组成梯度或过渡,其厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。
[0104] 本公开内容的制备多层低摩擦涂层的方法得到如通过环块摩擦试验测量为小于或等于0.15,或者小于或等于0.12,或者小于或等于0.10,或者小于或等于0.08的低摩擦涂层的功能层摩擦系数。本公开内容的多层低摩擦涂层得到如通过环块摩擦试验测量为小于或等于500μm,或者小于或等于300μm,或者小于或等于100μm,或者小于或等于50μm的配合端面磨痕深度。
[0105] 本公开内容的制备低摩擦涂层的方法还得到出乎意料的抗磨损性的改进。改良ASTM G105磨损试验可用于测量抗磨损性。特别地,本公开内容的多层低摩擦涂层得到如通过改良ASTM G105磨损试验关于磨痕深度和重量损失测量的比相同功能层的单层涂层低至少5倍,或者低至少4倍,或者低至少2倍的抗磨损性。本公开内容的多层低摩擦涂层得到借助改良ASTM G105磨损试验为小于或等于20μm,或者小于或等于15μm,或者小于或等于10μm,或者小于或等于5μm,或者小于或等于2μm的磨痕深度。本公开内容的多层低摩擦涂层得到借助改良ASTM G105磨损试验为小于或等于0.03g,或者小于或等于0.02g,或者小于或等于0.01g,或者小于或等于0.005g,或者小于或等于0.004g,或者小于或等于0.001g的重量损失。
[0106] 就本公开内容的制备低摩擦涂层的方法而言,沉积下层、附着力促进层和/或功能层的步骤可选自以下非限定性示例方法:物理蒸气沉积、等离子体辅助化学蒸气沉积和化学蒸气沉积。非限定性示例物理蒸气沉积涂覆方法为磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积
[0107] 本公开内容的制备低摩擦涂层的方法可进一步包括最外功能层的后加工步骤以实现0.01-1.0μm Ra,或者0.03μm至0.8μm Ra,或者0.05μm至0.5μm Ra,或者0.07μm至0.3μm Ra,或者0.1μm至0.2μm Ra的表面粗糙度。非限定性示例后加工步骤可包括机械抛光、化学抛光、平滑层的沉积、超细超抛光方法、摩擦化学抛光方法、电化学抛光方法及其组合。
[0108] 本公开内容的制备低摩擦涂层的方法可应用于各种用于涂覆的基质的表面。用于所述涂覆方法的非限定性示例基质包括钢、不锈钢、环形加硬层、铁合金、铝基合金、钛基合金、陶瓷和镍基合金。非限定性示例环形加硬层材料包括金属陶瓷基材料、金属基体复合物、纳米结晶金属合金、无定形合金和硬金属合金。其它非限定性示例类型的环形加硬层包括分散在金属合金基体中的元素钨、钛、铌、钼、铁、铬和硅的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物。这类环形加硬层可通过堆焊、热喷雾或激光/电子束熔覆而沉积。环形加硬层的厚度可以是外部涂层厚度的几倍数量级或者等于外部涂层的厚度。非限定性示例环形加硬层厚度为钻柱组合表面以上1mm、2mm和3mm。环形加硬层表面可具有图案化设计以减少贡献于磨损的研磨颗粒的夹带。本文所述多层低摩擦涂层可沉积于环形加硬层图案上。环形加硬层图案可包含凹陷和凸起区域,且环形加硬层中的厚度变化可与它的总厚度一样多。
[0109] 本公开内容的制备低摩擦涂层的方法可应用于选自以下示例非限定性类型的装置的一部分表面上:用于地下旋转钻探的钻头或钻具、用于地下旋转钻探的钻柱组合以及稳定器和定中心装置。另外,本公开内容的多层低摩擦涂层方法可应用于本公开内容的定义部分中所述装置的一部分表面上。
[0110] 使用多层低摩擦涂层实施方案的示例方法:
[0111] 本文所述多层低摩擦涂层可施涂于装置的一部分表面上,所述装置选自由用于地下旋转钻探的钻头或钻具、用于地下旋转钻探的钻柱组合以及稳定器和定中心装置组成的组。
[0112] 更特别地,本文所述多层低摩擦涂层可用于改进钻具的性能,特别是用于在包含粘土的岩层和类似物质中钻探的钻头的性能。本公开内容使用低表面能新材料或涂层体系以提供热动力低能表面,例如用于井底组件的非水润湿表面。本文所述多层低摩擦涂层适于使用水基泥浆(在本文中缩写为WBM)在倾向于粘土(gumbo-prone)的区域中的油气钻探,例如具有高粘土含量的深页岩钻探,以防止钻头和底部钻具组合组件泥包。
[0113] 此外,当应用于钻杆组合时,本文所述多层低摩擦涂层可同时降低接触摩擦、钻头泥包并降低磨损,同时不损害下套管井位置中套管的耐久性和机械完整性。因此,本文所述多层低摩擦涂层为“套管友好的”,即它们不使套管的寿命或功能性劣化。本文所述多层低摩擦涂层的特征还有对速度弱化摩擦行为的低或无敏感性。因此,具有本文所述多层低摩擦涂层的钻柱组合提供低摩擦表面,有利于减轻粘滑振动和降低寄生转矩以进一步赋予超延伸钻井。
[0114] 用于钻柱组合的本文所述多层低摩擦涂层因此提供以下示例的非限定性优点:i)减轻粘滑振动,ii)降低转矩和阻力以延长大位移井的作用范围,和iii)减轻钻头和其它井底组件泥包。这三个优点与使寄生转矩最小化一起可导致穿透的钻速以及井下钻探设备耐久性的明显改进,由此还贡献于降低的非生产时间(在本文中缩写为NPT)。本文所述多层低摩擦涂层不仅降低摩擦,而且经得起要求化学耐久性、抗腐蚀性、抗冲击性、抗磨损耐久性、侵蚀和机械完整性(涂层-基质界面强度)的侵略性井下钻探环境。本文所述多层低摩擦涂层还适用于复杂的形状而不损害基质性能。此外,本文所述多层低摩擦涂层还提供对于提供对井底组件泥包的抗性所需的低能表面。
[0115] 主体组件或涂覆钻柱组合可包含在至少一部分暴露外表面上的环形加硬层以提供增强的抗磨损性和耐久性。钻柱组合经历环形加硬层区域上的显著磨损,因为这些是钻柱与套管或裸井之间的主要接触点。磨损可通过变得夹带在界面上并摩擦表面的研磨砂和岩石颗粒而恶化。本文所述涂覆钻柱组合上的涂层显示出高硬度性能以帮助减轻磨耗磨损。使用具有图案化设计的表面的环形加硬层可促进研磨颗粒流过涂覆的环形加硬层区域并降低对组件的涂层和环形加硬层部分的磨损和损害的量。使用涂层连同图案化环形加硬层会进一步降低由于研磨颗粒导致的磨损。
[0116] 因此,本公开内容的另一方面是环形加硬层上的多层低摩擦涂层在主体组件的至少一部分暴露外表面上的用途,其中环形加硬层表面具有图案化设计,其降低贡献于磨损的研磨颗粒的夹带。在钻探期间,悬浮于钻井液中的研磨砂和其它岩石颗粒可行进到主体组件或钻杆组合与套管或裸井之间的界面中。这些研磨颗粒在被带到该界面中时贡献于主体组件、钻杆组合和套管的加速磨损。需要延长设备寿命以使钻探和经济效率最大化。由于在主体组件或钻杆组合的表面以上突出制备的环形加硬层造成与套管或裸井的最多接触,它经历由于砂和岩石颗粒的夹带而导致的最多磨耗磨损。因此,有利的是使用环形加硬层和多层低摩擦涂层一起以提供磨损保护和低摩擦。进一步有利的是应用图案化设计的环形加硬层,其中环形加硬层材料之间的凹槽容许颗粒流过环形加硬层区域而不会变得被夹带和摩擦界面。甚至进一步有利的是降低环形加硬层与套管或裸井之间的接触面积以减轻由于岩石碎屑而变粘或成泥包。多层低摩擦涂层可以以任何布置应用,但优选它应用于图案的整个面积上,因为材料通过图案的通路会降低粘在管上的机会。
[0117] 本公开内容的一个方面涉及用于地下旋转钻探操作的有利涂覆钻柱组合,其包含:具有暴露外表面的主体组件,包括与底部钻具组合连接的钻柱、与底部钻具组合连接的挠性管或与底部钻具组合连接的套管柱,在主体组件的至少一部分暴露外表面上的环形加硬层,其中环形加硬层表面可具有或不具有图案化设计,在至少一部分环形加硬层上的多层低摩擦涂层,和置于环形加硬层与多层低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层。
[0118] 本公开内容的另一方面涉及降低地下旋转钻探操作期间涂覆钻柱组合中的摩擦的有利方法,其包括:提供钻柱组合,所述钻柱组合包含具有暴露外表面的主体组件,包括与底部钻具组合连接的钻柱、与底部钻具组合连接的挠性管或与底部钻具组合连接的套管柱,在主体组件的至少一部分暴露外表面上的环形加硬层,其中环形加硬层表面可具有或不具有图案化设计,在至少一部分环形加硬层上的多层低摩擦涂层,和置于环形加硬层与多层低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层,和在地下旋转钻探操作中使用涂覆钻柱组合。
[0119] 本公开内容的又一方面涉及将一个或多个隔离层插入主体组件或环形加硬层的外表面与多层低摩擦涂层之间。隔离层可由于一种或多种技术产生或沉积,包括电化学或化学镀法、等离子体蒸气沉积(PVD)或等离子体辅助化学蒸气沉积(PACVD)方法、渗碳、氮化或硼化方法,或者超细超抛光方法。隔离层可分级,并其用于几个功能,包括但不限于:降低的表面粗糙度、增强的与其它层的附着力、增强的机械完整性和性能。
[0120] 本公开内容的又一方面涉及形成插在主体组件或环形加硬层的外表面与多层低摩擦涂层之间的一个或多个隔离层的有利方法。隔离层可由于一种或多种技术产生或沉积,包括电化学或化学镀法、等离子体蒸气沉积(PVD)或等离子体辅助化学蒸气沉积(PACVD)方法、渗碳、氮化或硼化方法,或者超细超抛光方法。隔离层可分级,并其用于几个功能,包括但不限于:降低的表面粗糙度、增强的与其它层的附着力、增强的机械完整性和性能。
[0121] 在另一实施方案中,隔离层可与环形加硬层一起使用,其中环形加硬层在至少一部分暴露外表面或内表面上以提供给涂覆钻柱组合增强的抗磨损性和耐久性,其中环形加硬层表面可具有图案化设计,其降低贡献于磨损的研磨颗粒的夹带。另外,多层低摩擦涂层可沉积于隔离层上。
[0122] 关于单独层和界面的其它细节
[0123] 关于用于本文所述多层低摩擦涂层中的功能层的其它细节如下:
[0124] 富勒烯基复合物
[0125] 包含富勒烯状纳米颗粒的富勒烯基复合物涂层也可用作功能层。富勒烯状纳米颗粒具有与典型的金属相比有利的摩擦性能,同时减轻常规层状材料(例如石墨、MoS2)的缺点。几乎球形的富勒烯也可相当于纳米级球轴承。中空富勒烯状纳米颗粒的主要有利益处可归因于以下三个效应:(a)滚动摩擦,(b)富勒烯纳米颗粒充当间隔物,这消除了两个配合金属表面的粗糙之间的金属-金属接触,和(c)三体材料转移。在保持纳米颗粒的形状时,富勒烯状纳米颗粒在摩擦表面之间的界面的滑动/滚动可以是低负载下的主要摩擦机制。富勒烯状纳米颗粒的有利作用随着负载而提高。在高接触负载(~1GPa)下发现发生外部富勒烯状纳米颗粒片的脱落。分层富勒烯状纳米颗粒的转移显示是严苛接触条件下的主要摩擦机制。富勒烯状纳米颗粒的机械和摩擦性能可通过将这些颗粒并入涂层的基料相中而开发。另外,金属基料相中并入富勒烯状纳米颗粒(例如Ni-P化学镀)的复合物涂层可提供具有适于本文所述多层低摩擦涂层的功能层的自润滑和优异防粘特征的膜。
[0126] 超硬材料(金刚石、类金刚石碳):
[0127] 超硬材料如金刚石和类金刚石碳(DLC)可用作本文所述多层低摩擦涂层的功能层。金刚石为人们已知的最硬材料且在某些条件下在通过化学蒸气沉积(在本文中缩写为CVD)沉积时可得到低摩擦系数。
[0128] 在一个有利的实施方案中,类金刚石碳(DLC)可用作本文所述多层低摩擦涂层的功能层。DL指显示出类似于天然金刚石的一些独特性能的无定形碳材料。合适的类金刚石碳(DLC)层或涂层可选自ta-C、ta-C:H、DLCH、PLCH、GLCH、Si-DLC、含钛类金刚石碳(Ti-DLC)、含铬类金刚石碳(Cr-DLC)、Me-DLC、F-DLC、S-DLC、其它DLC层类型及其组合。DLC3 3
涂层包含显著量的sp杂化碳原子。这些sp 键不仅可随晶体—换言之,在具有长程有序的固体中—而且在其中原子为随机排列的无定形固体中存在。在这种情况下,仅少数单独原子之间存在键合,这是短程有序的,而不是在大量原子上延伸的长程有序。键类型对无定形
2 3
碳膜的材料性能具有相当的影响。如果sp类型是主要的,则DLC膜可能较软,而如果sp类型是主要的,则DLC膜可能较硬。
[0129] DLC涂层可制造成无定形、挠性且又主要sp3键合的“金刚石”。最硬的是称为四面3
体无定形碳或ta-C的这类混合物。该ta-C包含高体积分数(~80%)的sp键合碳原子。
2
DLC涂层的任选填料包括但不限于氢、石墨sp碳和金属,并且取决于特定应用,可以以其它形式使用以实现所需性能组合。各种形式的DLC涂层可施涂于与真空环境相容并且还导电的多种基质上。DLC涂层质量还取决于合金和/或掺杂元素如氢的部分含量。一些DLC涂覆方法要求氢气或甲烷作为前体气体,因此相当百分数的氢可保留在最终DLC材料中。为进一步改进它们的摩擦和机械性能,DLC膜通常通过并入其它合金和/或掺杂元素而改性。
例如,将氟(F)和硅(Si)加入DLC膜中降低表面能和润湿性。氟化DLC(F-DLC)中表面能的降低归因于膜中-CF2和-CF3基团的存在。然而,较高的F含量可导致较低的硬度。Si的
3
添加可通过降低表面能的分散组分而降低表面能。Si添加还可通过促进DLC膜中的sp杂化而提高DLC膜的硬度。将金属元素(例如W、Ta、Cr、Ti、Mo)加入膜中可降低压缩残余应力,导致在压缩负载时更好的膜的机械完整性。
[0130] DLC的类金刚石相或sp3键合碳是热动力亚稳相,而具有sp2键合的石墨为热动力3
稳相。因此,DLC涂膜的形成要求非平衡加工以得到亚稳定的sp键合碳。平衡加工方法,例如其中蒸发物种的平均能是低的(接近kT,其中k为波兹曼常数,T为以绝对温度表示
2
的温度)石墨碳的蒸发导致形成100%sp键合碳。本文公开的制备DLC涂层的方法要求
3 2
sp键长度中的碳明显小于sp 键的长度。因此,在原子标度下应用压力、冲击、催化或这些
2 3
中的一些组合可迫使sp键合碳原子更接近一起形成sp 键。这可以足够强力地进行,使得
2 3
原子不能简单地反向裂开成sp键的分离特征。典型的技术将该压缩与新sp 键合碳簇的
2
深度推进结合到涂层中,使得不存在反向膨胀至sp键合所需分离的空间;或者新簇通过新碳到达预定新的冲击循环而隐藏。
[0131] 本文所述DLC涂层可通过物理蒸气沉积、化学蒸气沉积,或者等离子体辅助化学蒸气沉积涂覆技术沉积。物理蒸气沉积涂覆方法包括RF-DC等离子体反应性磁控溅射、离子束辅助沉积、阴极电弧沉积和脉冲激光沉积(PLD)。化学蒸气沉积涂覆方法包括离子束辅助CVD沉积,使用由烃气体辉光放电、使用由烃气体射频(r.f.)辉光放电、等离子体浸渍离子加工(plasma immersed ion processing)和微波放电的等离子体增强沉积。等离子体增强化学蒸气沉积(PECVD)为以高沉积速率将DLC涂层沉积在大面积上的一种有利方法。等离子体基CVD涂覆方法为非视距(non-line-of-sight)技术,即等离子体共形地覆盖待涂覆的部分,并将该部分的整个暴露表面以均匀的厚度涂覆。该部分的表面修整可在DLC涂层施涂以后保留。PECVD的一个优点是基质部分的温度在涂覆操作期间通常不提高至约
150℃以上。含氟DLC(F-DLC)和含硅DLC(Si-DLC)膜可使用等离子体沉积技术使用乙炔(C2H2)分别与含氟和含硅前体气体(例如四氟乙烷和六甲基二硅氧烷)混合的工艺气体合成。
[0132] 本文所述DLC涂层可显示出在先前所述范围内的摩擦系数。低COF可能是基于实3
际接触面积中薄石墨膜的形成。由于sp键在600-1500℃的高温下是碳的热动力不稳定相,取决于环境条件,它可转变成可充当固体润滑剂的石墨。这些高温可作为粗糙面碰撞或接触中非常短的瞬时温度(称为初期温度)出现。DLC涂层的低COF的可选理论是烃基光滑
3
膜的存在。sp键合碳的四面体结构可在表面上产生一种情况,其中可能存在来自表面的一个不具有连接在其上的碳原子的电子空位,其称为“悬空键”轨道。如果具有其自身的电子的一个氢原子置于该碳原子上,则它可与悬空键轨道键合以形成双电子共价键。当两个具有单一氢原子外层的这类光滑表面在彼此上滑动时,在氢原子之间会发生剪切。表面之间不存在化学键合,仅存在非常弱的范德瓦耳斯力,且表面显示出重质烃蜡的性能。表面上的碳原子可制备3个强键,留下一个电子在从表面上指出的悬空键轨道中。氢原子连接在变得疏水且显示出低摩擦的该表面上。
[0133] 用于本文所述多层低摩擦涂层的功能层的DLC涂层还防止由于它们的摩擦性能导致的磨损。特别地,本文所述DLC涂层证明增强的对磨损和磨耗的抗性,使得它们适用于经历极端接触压力和严重磨耗环境的应用中。
[0134] 隔离层:
[0135] 在本文多层低摩擦涂层的又一实施方案中,装置可进一步包含置于主体组件或环形加硬层与包含在至少一部暴露外表面上的多层低摩擦涂层的层之间的一个或多个隔离层。
[0136] 在用作隔离层的镍基合金的一个实施方案中,层可通过电镀形成。电镀镍可以作为具有150-1100,或者200-1000,或者250-900,或者300-700Hv的特制硬度的隔离层沉积。镍为白色金属,因此,镍基合金隔离层的外观可以是素灰色至几乎白色光面。在本文所述镍合金隔离层的一个形式中,基磺酸镍可使用电镀由氨基磺酸镍浴沉积。在本文所述镍合金隔离层的另一形式中,瓦特镍(watts nickel)可由硫酸镍浴沉积。瓦特镍通常得到比氨基磺酸镍更光亮的光面,因为甚至无光泽瓦特浴也包含晶粒细化剂以改进沉积物。瓦特镍也可作为半光面沉积。半光亮瓦特镍实现较亮的沉积物,因为该浴包含有机和/或金属光亮剂。瓦特浴中的光亮剂使沉积物变平,产生比下面的部分更光滑的表面。半光亮瓦特沉积物可容易地抛光至具有高光泽的超光滑表面。光亮镍浴包含较高浓度的有机光亮剂,其对沉积物具有流平作用。硫基光亮剂通常用于实现早期沉积物中的流平,且无硫有机物如甲用于在电镀层变厚时实现完全光亮沉积物。在另一形式中,用于隔离层的镍合金可由黑镍形成,其通常在电解化学镀镍的电镀下应用。其中,由镍基隔离层提供的有利性能包括但不限于防腐蚀性、磁性性能、光滑表面抛光、外观、润滑度、硬度、反射率和发射率。
[0137] 在另一实施方案中,用作隔离层的镍基合金可作为化学镀镍形成。在该形成中,化学镀镍为自催化方法且不使用外部施加的电流以产生沉积物。化学镀方法沉积均匀的金属涂层而不管部件的形状或其表面不规则性;因此,它克服了电镀的一个主要缺点,由电镀部件的几何及其与电镀阳极的关系导致的电流密度变化而产生的镀层厚度的变化。化学镀溶液在它接触适当制备的表面的地方产生沉积物,而不需要遵循阳极和复杂的固定物。由于化学浴保持均匀的沉积速率,镀工可通过简单地控制浸渍时间而精确地控制沉积物厚度。用作隔离层的低磷化学镀镍可得到最光亮且最硬的沉积物。硬度为60-70RC(或697Hv~
1076Hv)。在另一形式中,中磷或mid-phos可用作隔离层,其具有约40-42RC(或392Hv~
412Hv)的硬度。硬度可通过热处理而改进到60-62RC(或697Hv~746Hv)范围。孔隙率是较低的,因此耐腐蚀性高于低磷化学镀镍。高磷化学镀镍与中磷和低磷沉积物相比是致密且无光泽的。高磷显示出化学镀镍家族最好的耐腐蚀性;然而,沉积物不与较低磷含量形式一样硬。高磷化学镀镍为基本非磁性涂层。对于本文所述镍合金隔离层,镍硼可用作需要烧制以粘附的金属的底板。NiP无定形基体还可包含分散的第二相。分散的第二相的非限定性示例包括:i)并入细纳米级第二相金刚石颗粒的化学镀NiP基体,ii)具有分散于基体内的六方氮化硼颗粒的化学镀NiP基体,和iii)具有均匀地分散在整个涂层中的亚微米PTFE颗粒(例如20-25体积%Teflon)的化学镀NiP基体。
[0138] 在又一实施方案中,隔离层可由电镀铬层形成以产生光滑且反射的光面。硬铬镀或功能镀铬隔离层提供700-1,000,或者750-950,或者800-900HV的硬度,具有光亮且光滑的光面,并且以20μm至250,或者50-200,或者100-150μm的厚度耐腐蚀。镀铬隔离层可以容易地以低成本应用。在该实施方案的另一形式中,装饰性镀铬可用作隔离层以提供具有光滑光面的耐久涂层。装饰性铬隔离层可具有0.1μm至0.5μm,或者0.15μm至0.45μm,或者0.2μm至0.4μm,或者0.25μm至0.35μm的厚度。装饰性铬隔离层也可应用于光亮镍镀层上。
[0139] 在又一实施方案中,隔离层可在主体组件或环形加硬层上由超抛光方法形成,其除去机器/磨耗凹槽并提供在0.25μm平均表面粗糙度(Ra)以下的光面。
[0140] 在又一实施方案中,隔离层可在主体组件或环形加硬层上通过以下非限定性示例方法中的一种或多种形成:PVD、PACVD、CVD、离子注入、渗碳、氮化、硼化、硫化、硅化、氧化、电化学方法、化学镀法、热喷雾方法、动态喷雾方法、激光基方法、摩擦-搅拌方法、喷丸方法、激光冲击喷丸方法、焊接方法、铜焊方法、超细超抛光方法、摩擦化学抛光方法、电化学抛光方法及其组合。
[0141] 界面:
[0142] 涂层中各个层之间的界面可对涂层的性能和耐久性具有实质性影响。特别地,非递变界面可产生弱点的来源,包括以下一种或多种:应力集中、空隙、残余应力、分裂、分层、疲劳裂纹、弱附着力、化学不相容性、机械不相容性。改进涂层性能的一个非限定性示例方法是使用递变界面。
[0143] 递变界面容许层之间材料和物理性能的梯度变化,这降低弱点来源的集中。在生产方法期间产生递变界面的一个非限定性示例方法是逐步停止第一层的加工,同时逐步开始第二层的加工。递变界面的厚度可通过改变加工条件的变化速率而最佳化。递变界面的厚度可以为0.01-10μm,或者0.05-9μm,或者0.1-8μm,或者0.5-5μm。作为选择,递变界面的厚度可以为最薄相邻层厚度的5-95%。
[0144] 试验方法
[0145] 高砂CETR环块试验:
[0146] 该试验用于模拟高负载(即高接触压力)和高磨耗环境。环样品在环境温度下相对于6.36mm宽钢块(硬度~300-350Hv)以各种速度和负载旋转。钢配合端面以垂直于环的转轴以1mm/s的摆动速度转换以保持环上磨损的均匀性。用于该研究的润滑介质由油基淤浆(油:水=1:9)组成,其中水用作连续相。使用在100℃下粘度为8cSt的聚α烯烃油。这使得乳液粘度在试验温度下为约0.009Pa.S,这与类似条件下典型油基泥浆的粘度相当。该淤浆包含50重量%的150μm平均直径的砂(二氧化硅)。将淤浆引入容纳室中,对于试验的持续时间,环部分地浸入其中。在试验以前通过将淤浆(在密封容器中)引入磁力搅拌器中30分钟而将砂在润滑介质中完全均化。环的旋转防止颗粒在试验期间沉降在储蓄器中。各磨损试验期间的摩擦系数值由计算机自动地记录。块磨损(磨痕深度)通过在针式轮廓测量仪中扫描磨痕而测量,同时基于目测检测评估涂层磨损。对于任何给定涂层,块磨损用作配合端面友好性的度量。应当指出所有涂层得到低摩擦系数(通常<0.1),条件是DLC在CETR-BOR试验期间保持完整。
[0147] 改良ASTM G105磨损试验:
[0148] 这是用于模拟较低负载和非常严重的磨耗环境的湿砂/橡胶轮磨耗试验。标准ASTM G105试验使用具有4个不同的肖氏硬度的橡胶轮运行。然而,为了避免复杂,对于该研究,改良了ASTM G105试验,其中在与具有给定肖氏硬度(A 58-62)的旋转橡胶轮接触中测量样品。试验在Falex磨损试验机中运行,其中保持橡胶轮部分地浸没在砂和水的混合物中。使轮在30lbf负载下以200rpm相对于垂直放置的平试样(1”X3”)旋转30分钟。轮的直径和宽度分别为9”和0.5”。淤浆包含60%SiO2砂(圆形)和40%水。在试验完成时,研究样品的涂层耐久性并通过(a)板上的残余涂层(目测检测—在试验以后被顶层涂层覆盖的磨损区的百分数)、(b)质量损失、(c)表面光度测定法以测量磨痕深度和(d)显微镜法测定性能。报告的磨痕深度为通过沿着橡胶轮通过磨损区宽度的中部产生的磨痕的长度扫描触针而测量的磨损凹槽的最大深度。实施例
[0149] 说明性实施例1:
[0150] 使用如下所述两个步骤以改进严重磨耗/负载条件下的涂层耐久性。
[0151] 步骤1:厚/超厚下层结构:
[0152] DLC和附着力促进层的沉积可通过方法如PACVD进行,其中使用来源和/或目标沉积DLC层和下层(例如CrxN、TixN等)。在一些情况下,DLC层(通常1-5μm)直接沉积在基质上而不具有任何下层。在其它情况下,下层(通常2-5μm)在DLC沉积(在下层上)以前沉积在基质上。下层通过负载屏蔽(load shielding)而提供一些机械完整性和韧性,同时还提供与基质的一些附着力增强。一般而言,较低的下层厚度帮助改进较不严重条件(例如低磨耗/负载)下的总涂层性能,由于基质的塑性变形和DLC本身的磨耗磨损,涂层耐久性在其中遭遇高磨耗/负载的条件下保持是非常差的。
[0153] 有限元分析(FEA)表明负载通过砂粒传播可引起下面基质在<1μm的压痕深度下明显变形,这在高负载操作条件下是可能的。事实上,用较大的砂粒(~25-50μm),基质塑性变形(局部)的程度可能是非常高的(>10%),导致下层/基质界面附近的涂层分层和裂化。此外,基质中的塑性变形可改变下层/DLC界面中的应力状态,进一步降低DLC涂层的承载能力。涂层的分层/裂化通过DLC涂层内的高压缩残余应力加速,这产生有助于涂层脱除(剥离)的复杂局部应力状态。
[0154] 通过系统地提高下层厚度(至≥10-15μm),可产生更有效的负载屏蔽层,因此明显使基质的塑性变形最小化。实验和磨耗试验结果(下文中讨论的)说明作为提高下层(CrN)厚度的函数,对涂层耐久性的有利影响。该厚下层的沉积是技术上有挑战性的方法,并且可能需要对化学计量的良好控制(例如交替的CrN和Cr2N层以操纵残余应力)和较长的沉积时间(对于CrN,典型的沉积速率:1μm每40-50分钟)。
[0155] 步骤2:厚/超厚、超硬和/或复合DLC结构:
[0156] 尽管步骤1(上文)帮助使基质的塑性变形最小化,它不直接解决严重磨耗条件下的DLC性能(即耐久性)问题。
[0157] 在涉及研磨介质(即砂)的磨损中,研磨介质与涂层(即磨耗的表面)的硬度比决定总磨耗速率(根据公开文献)。在该前提下,提高涂层硬度可帮助降低磨耗磨损。然而,提高的DLC涂层硬度以提高残余应力为代价,这导致涂层裂化/分层/散裂的问题。因此,该方面导致与“极端”硬度相反,对“最佳”硬度的关注。我们的实验表明2500-5500(Hv)的硬度值可能是目标,与有效的下层硬度组合,同时对于较厚的涂层结构,不严重地损害涂层耐久性(通过裂化/散裂)。
[0158] 给定又决定磨耗速率(与涂层裂化/散裂相反,假定梯度磨耗机制是主要的)的涂层硬度,涂层的总耐久性取决于涂层厚度。通过系统地提高DLC层的厚度(至>15μm的值),显示出涂层耐久性可在严重磨耗/负载条件(下文所讨论的)下改进。这类DLC层的沉积为技术上有挑战性的方法,其要求对层间附着力(如果适用的话)和化学的良好控制、对残余应力的操纵和工艺控制以避免室污染,同时要求长的沉积时间(典型的DLC沉积速率:1μm每80-100分钟)。在一些情况下,也可实现使用较硬功能层如ta-C与较厚下层和附着力促进层组合的有利效果。
[0159] DLC的固有抗磨损性取决于涂层化学。可产生a-C:H与CrC交替的多层以增强多层的总固有韧性和抗磨损性。a-C:H相对提供低摩擦性能而言是必要的,同时CrC相提供韧性和较高的耐磨性。还显示了表明该多层的优越抗磨损性的结果(下文)。作为选择,较硬功能层(例如ta-C)与目标厚度的下层(例如CrN)组合也可得到优越的抗磨损性以及涂层的改进韧性和耐久性。
[0160] 汇总步骤1和步骤2的组合益处的结果:
[0161] 下表1显示测试以评估上文所述路线/步骤的效果的9个不同涂层结构的汇总(在一些情况下,没有明确报告附着力促进层厚度的值)。设计和进行了两类试验/实验以评价涂层耐久性:CETR环块(高砂)试验和改良ASTM G105试验。这些试验和各自相关的测量描述于上文中。
[0162] 表1:涂层结构和试验结果的汇总
[0163]
[0164]
[0165] 图1阐述关于一些选择性涂层(来自表1的A-F)的显微镜研究。良好涂层性能和耐久性的指示如下:低块磨损(即良好的套管友好性)、在CETR-BOR或ASTM试验以后高%的残余涂层(即高负载磨耗试验中的良好涂层耐久性)、ASTM G105试验中的低重量损失和磨痕深度(即试验期间最小的涂层脱除和/或基质脱除)。
[0166] (a)厚下层、(b)厚且多层复合DLC结构和(c)超硬顶层涂层的有利作用从该研究中显示的结果中获悉。这些路线的累积效果在设计成模拟高负载/磨耗环境的试验条件下可得到在评估的样品中具有显著改进的总耐久性的涂层结构(例如类似于结构E、F)。当使用ASTM试验中的重量损失作为度量时,可以看出结构E(厚下层+厚多层DLC)比结构A(薄DLC)好约20倍。另外,在如通过G105试验中的耐磨损/磨耗性所测量的总耐久性方面,结构F(厚下层+厚ta-C)比结构A(薄DLC)好约70-100倍。使用厚下层和厚涂层的抗磨损性的明显改进也从超硬ta-C涂层(结构I相对于结构H)中获悉。
[0167] 申请人尝试公开可以合理预见的所公开主题的所有实施方案和应用。然而,可存在作为等价物保留的不可预见的非实质性改进。尽管连同其具体的示例实施方案描述了本公开内容,显然许多改变、改进和变化是本领域技术人员鉴于上述描述了解的而不偏离本公开内容的精神或范围。因此,本公开内容意欲包括上述详细描述的所有这类改变、改进和变化。
[0168] 通过引用将本文引用的所有专利、试验程序和其它文件,包括优先权文件全部并入本文中至该公开内容与本公开内容以及容许该并入的所有权限一致的程度。
[0169] 尽管本文列出了数量上限和数量下限,预期从任何下限至任何上限的范围。
QQ群二维码
意见反馈