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。超音速火焰噴涂技術(shù)制備的CoCr粉末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


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。超音速火焰噴涂技術(shù)制備的CoCr粉末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CoCr粉末金屬陶瓷涂層表面均表現(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,磨損體積也相應增加。