【摘要】：非常規(guī)能源勘探開發(fā)技術(shù)中,迫切需要提高PDC鉆頭的防泥包性能和耐磨性能。超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)制備的WC-Co Cr金屬陶瓷涂層具備優(yōu)異的耐磨、耐蝕性能和良好的結(jié)合強度,適于對PDC鉆頭鋼體進行強化,但需要提高其表面的疏水性能從而改善泥包問題。本研究利用超音速火焰噴涂制備了厚度為200μm的WC-CoCr金屬陶瓷涂層,采用砂紙研磨來改變表面粗糙度以及激光表面織構(gòu)的方法對涂層表面進行改性,用掃描電子顯微鏡表征原始涂層的橫截面形貌,白光形貌儀表征織構(gòu)化涂層的三維形貌。通過接觸角測試和摩擦實驗測試其疏水性及摩擦學(xué)性能。主要研究成果包括:(1)增大表面粗糙度可提高表面的疏水性。接觸角CA與粗糙度Sa呈現(xiàn)正比關(guān)系,涂層表面發(fā)生了從親水性到疏水性的轉(zhuǎn)變。泥漿潤滑摩擦實驗結(jié)果表明,表面粗糙度的增大會導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大,磨損體積略有減小,但總體差別不明顯。在摩擦過程中主要發(fā)生粘著磨損,同時伴隨著氧化。(2)經(jīng)過激光織構(gòu)處理的表面疏水性能均明顯提高,間距100μm的網(wǎng)格織構(gòu)接觸角最大,在干摩擦下的具有明顯的減摩作用�？棙�(gòu)覆蓋率R隨著織構(gòu)間距的減小而增加,CA值隨織構(gòu)覆蓋率增加而增大。CA值的增加是由于表面形貌和化學(xué)組分變化的共同作用所致。干摩擦下每種織構(gòu)的摩擦系數(shù)隨著間距增加而增加,相同間距的網(wǎng)格,溝槽和凹坑的摩擦系數(shù)依次增加。在泥漿潤滑條件下,三種織構(gòu)的摩擦系數(shù)均高于原始表面。干摩擦下的磨損機理主要是粘著磨損和氧化磨損。在泥漿潤滑下,織構(gòu)表面主要發(fā)生三體磨損。(3)氟硅烷修飾過的網(wǎng)格織構(gòu)表面均表現(xiàn)出了良好的疏水性及減摩性能。接觸角隨著織構(gòu)覆蓋率的增大而增大,并且改性后的接觸角全都表現(xiàn)出疏水性,間距40μm,寬度100μm的織構(gòu)與去離子水和鉆井液的接觸角最大,分別達到138.22°和125.5°。去離子水與改性織構(gòu)表面的接觸角結(jié)果與Cassie模型的理論值θc非常接近。泥漿潤滑摩擦實驗結(jié)果表明,在織構(gòu)寬度或間距相同時,織構(gòu)覆蓋率越大,摩擦系數(shù)越小,且織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)基本小于拋光涂層表面。但是織構(gòu)覆蓋率增大,磨損體積也相應(yīng)增加。主要發(fā)生的是三體磨損。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4
【圖文】：

全球?qū)τ蜌赓Y源的需求也急現(xiàn)逐年減小的趨勢、并且開采難度增大然氣水合物等非常規(guī)油氣資源進行開發(fā)量相當(dāng)豐富，是未來油氣勘探和開采的，具有比表面大、孔隙小、易吸水膨脹了嚴苛的要求和巨大的挑戰(zhàn)（劉寶林，探開發(fā)的主要破巖工具，鉆頭性能將直F. Boukadi, 2013; C. Hanna, 2011）。mond Compact-PDC 鉆頭）是目前應(yīng)用成鉆頭鋼體，并在熱處理后在鋼體上到鉆頭鋼體中（如圖 1-1 所示）。由于在其獨特的剪切破巖方式占據(jù)優(yōu)勢，

巖油氣層等特殊地層鉆探領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，因此，解決 PDC對鉆進效率的提高、鉆井周期的縮短、鉆井成本的降低都意義鉆頭“泥包”的因素有地質(zhì)因素、鉆井液因素以及鉆頭結(jié)構(gòu)因法改變的，采用油基鉆井液改善“泥包”又會造成環(huán)境污染，善鉆頭自身方面進行了許多研究。吉林大學(xué)高科課題組（高科等光滑理論應(yīng)用在鉆井工程中，在孕鑲金剛石表面加工了凸包型工況下，所制備的仿生非光滑鉆頭耐磨性和鉆井效率均大幅提面具有減阻和耐磨的特性，同樣在 PDC 鉆頭的應(yīng)用上具有很大研究中（劉婧，2014），他們針對 PDC 鉆頭失效及泥包問題出發(fā)，研究了波紋型和凸包型仿生非光滑結(jié)構(gòu)對鉆井過程的影滑結(jié)構(gòu)運用到切削刃面，波紋形非光滑結(jié)構(gòu)運用到聚晶層的表地鉆探實驗發(fā)現(xiàn)切削齒的使用壽命提高，鉆進中“泥包”現(xiàn)象

圖 1-3 超音速火焰噴涂設(shè)備原理(王華仁，2007)ig. 1-3 Schematic of HOVF spraying equipment ( H.R. Wang, 200焰噴涂生產(chǎn)率高，成為目前制備金屬陶瓷涂層和金屬涂具有非常致密、孔隙率小于 1%、結(jié)合強度高等優(yōu)良的化物為基的粉末，如 WC-Co 和 WC-CoCr。WC-Co 可強度高并且殘余應(yīng)力小（Y. Y. Wang, 2006）。WC-Co入使得涂層的耐腐蝕性能大大提高，并且具有高的硬，超強的耐磨性等優(yōu)點（J. Berget, 2007）。HVOF 技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于耐蝕耐磨的合金涂層的沉積制備對潤濕性能的研究現(xiàn)狀中的微結(jié)構(gòu)與潤濕性關(guān)系的很多動植物，為了適應(yīng)物競天擇的生存法則，在漫長

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙運才;卓國海;楊菲;;表面織構(gòu)化噴涂涂層摩擦學(xué)性能的模糊綜合評判[J];潤滑與密封;2015年04期

2 李青柳;劉銘;馬棟;王波;;有機氟硅烷對玻璃表面的浸潤改性[J];中國表面工程;2014年03期

3 陳修平;鄒德永;;PDC鉆頭泥頁巖地層鉆進泥包機理及對策研究進展[J];天然氣工業(yè);2014年02期

4 李杰;張會臣;高玉周;;MB8鎂合金疏水/超疏水表面制備與微摩擦特性研究[J];功能材料;2012年22期

5 喬江;王兵;蔣亞楠;盧坤;喬秀文;;靜電紡絲法制備超疏水聚氯乙烯膜工藝研究[J];石河子大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2011年02期

6 吳承偉;張偉;孔祥清;;生物與仿生材料表面微納力學(xué)行為[J];力學(xué)進展;2010年05期

7 高科;孫友宏;高潤峰;徐良;王傳留;李玉民;;仿生非光滑理論在鉆井工程中的應(yīng)用與前景[J];石油勘探與開發(fā);2009年04期

8 劉寶林;彭鵬;高德利;房明浩;楊景周;;油氣鉆探技術(shù)中耐磨材料的研究進展[J];硅酸鹽通報;2009年03期

9 歷建全;朱華;;表面織構(gòu)及其對摩擦學(xué)性能的影響[J];潤滑與密封;2009年02期

10 劉勇;徐宏輝;楊友華;;氟硅烷“易清潔”涂層的性能與應(yīng)用[J];有機硅材料;2008年03期

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1 劉婧;仿生非光滑PDC切削齒切削機理與試驗研究[D];吉林大學(xué);2014年

本文編號：2760599