一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法

2023-05-19 04:21:46 3

一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法，所述膨脹錐（1）的工作面外表面至少在膨脹錐變徑段（2）的區域設置TiN或TiAlN薄膜（3），所述薄膜（3）厚度為0.5μm-5μm；優選所述薄膜（3）納米硬度在20GPa-30GPa。這種膨脹錐具有表面硬度高，良好的膜/基結合力和耐磨損性能，較低的摩擦係數。TiN或TiAlN薄膜可避免膨脹錐鋼基體與膨脹管鋼基體的直接接觸而造成的粘著磨損，提高了膨脹錐的壽命。
【專利說明】—種具有TiN或TiAIN薄膜的膨脹錐及加工方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於油氣田開發【技術領域】，具體涉及一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法。
【背景技術】
[0002]膨脹管技術是石油工程領域內出現的重大新技術，也是近幾年的一個熱點研究領域。膨脹管技術是在液壓或機械力的作用下，驅動膨脹錐在膨脹管內產生軸向移動，使膨脹管超過彈性極限發生永久塑性變形從而達到增大採油管柱或井眼內徑的目的。膨脹管技術可有效地解決傳統井深結構井越深、套管層數越多，最終的井眼直徑將會很小的問題，可用於鑽井、完井、採油、修井等作業過程。
[0003]目前國內外所用膨脹錐為高強度鋼，膨脹管是由低碳鋼經特殊加工而成的套管。套管的膨脹過程也就是膨脹錐表面和膨脹套管內表面構成的一對摩擦副的摩擦過程。由於膨脹錐的外徑大於膨脹管的內徑，塑性變形所需要的力導致膨脹錐與可膨脹套管內表面間的接觸壓力遠遠高於普通機械傳動中接觸表面間的壓力，機械軸承中，接觸面壓通常只有20-50MPa，研究結果表明，為了使套管被擴張變形，膨脹工具與套管內壁間的接觸面壓力可以高達500-800MPa，作業過程中接觸界面伴隨極高的溫升，由於膨脹錐和膨脹管材料都屬於鋼材，所以存在粘著現象，造成一定的粘著磨損。且作業環境中存在的砂粒，對膨脹維表面造成嚴重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過程中對膨脹錐存在嚴重的摩擦磨損問題。膨脹管作業過程中的磨損主要包括粘著磨損、接觸疲勞磨損和磨粒磨損，通過提高膨脹錐表面材料的強度和硬度，改變膨脹錐和膨脹管接觸界面的材料特性，可以使膨脹錐的磨損降低。
[0004]國內外主要以在膨脹管表面塗潤滑劑、包含潤滑劑的微膠囊塗層、在膨脹錐中附加一個機構用以提供潤滑劑等方法降低摩擦磨損，但液體潤滑材料在接觸面壓力高達500-800MPa時不能發揮作用，固體潤滑塗層在長井段的膨脹過程中存在嚴重的磨損消耗脫落失去作用等問題，導致膨脹錐磨損嚴重，提高了作業風險。完全用硬質合金材料製成的膨脹錐，可以顯著提高膨脹錐的硬度，但由於硬質合金材料脆性大，在膨脹作業過程中存在容易脆裂的危險。本發明的目的就在於針對上述現有方法的不足，提供一種新的提高膨脹錐耐磨損、延長膨脹錐使用壽命的方法。
[0005]氣相沉積的TiN和TiAlN薄膜具有較高硬度，優良的耐磨損性能，已經成功應用作刀具塗層，顯著提高了刀具的使用壽命。將TiN和TiAlN薄膜用於膨脹錐表面，提高膨脹錐的表面硬度，避免鋼與鋼的直接接觸，降低摩擦阻力和粘著磨損，從而達到降低膨脹壓力、延長使用壽命、降低作業壓力、提高作業成功率的目的。

【發明內容】

[0006]本發明的一個目的在於提供一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，本發明在膨脹錐外表面特定位置沉積硬質薄膜，該薄膜具有良好的耐磨損性能，避免了膨脹錐鋼基體與膨脹管鋼基體的直接接觸而造成的粘著磨損，從而提高膨脹錐的壽命。
[0007]本發明的另一目的在於提供所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐的加工方法。
[0008]為達上述目的，一方面，本發明提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，在所述膨脹錐I工作面外表面至少在膨脹錐變徑段2的區域設置TiN或TiAlN薄膜3，所述薄膜3環繞膨脹錐設置一周；所述薄膜3厚度為0.5-5 μ m。
[0009]本發明優選所述薄膜3厚度為2 μ m。
[0010]本發明優選所述薄膜3納米硬度在20GPa_30GPa。
[0011]根據本發明所述的膨脹錐，在所述TiN或TiAlN薄膜3和膨脹錐I工作面外表面之間還設置過渡層6 ；
[0012]所述的過渡層，TiN薄膜3採用Ti過渡層，TiAlN薄膜3採用TiAl過渡層。
[0013]根據本發明所述的膨脹錐，本發明優選所述過渡層厚度為0.1?0.5μπι ;
[0014]其中更優選為0.2 μ m。
[0015]根據本發明所述的膨脹錐，本發明還優選所述TiN或TiAlN薄膜3和過渡層6形狀匹配且重疊設置。
[0016]其中應當理解的是，所述的過渡層6與所述的薄膜3重疊設置；薄膜3與過渡層6面積相同，以使得薄膜3和過渡層6完全匹配。
[0017]根據本發明所述的膨脹錐，所述TiN或TiAlN薄膜3通過多弧離子鍍膜設置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0018]根據本發明所述的膨脹錐，過渡層6通過多弧離子鍍膜設置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0019]根據本發明所述的膨脹錐，所述的多弧離子鍍膜包括預處理、沉積及後處理，按照此過程可以獲得硬度高、膜/基結合力好的TiN或TiAlN薄膜。
[0020]根據本發明所述的膨脹錐，所述薄膜的沉積的條件為:通入氬氣和氮氣的混合氣使真空度為3.0X KT1Pa?2Pa，弧電流為50A?80A，偏壓為-50V?-400V ；
[0021]本發明優選所述的TiN或TiAlN薄膜的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0022]根據本發明所述的膨脹錐，在多弧離子鍍膜前還包括對膨脹錐進行離子清洗步驟。
[0023]根據本發明所述的膨脹錐，所述離子清洗步驟可以為現有技術常規的離子清洗，本發明所優選的包括:將膨脹錐非鍍膜區域遮擋，在真空條件下採用加高負偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區域進行轟擊清洗。
[0024]其中本發明優選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區域；
[0025]其中本發明還優選所述載能離子為載能氬離子。
[0026]根據本發明所述的膨脹錐，在離子清洗步驟前還包括預處理步驟:先後用丙酮和乙醇清洗膨脹錐，清洗後將膨脹錐乾燥處理。
[0027]所述乾燥處理為本領域常規操作，譬如吹乾。
[0028]根據本發明所述的膨脹錐，所述的多弧離子鍍膜沉積過渡層時通入氬氣使真空度為 3.0X KT2Pa ?3.0X KT1Pa,弧電流為 50A ?80A，偏壓為-50V ?-400V。
[0029]本發明優選所述的過渡層的沉積為:弧電流80A，偏壓-100V。
[0030]另一方面，本發明還提供了所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐的加工方法，所述方法包括將TiN或TiAlN薄膜通過多弧離子鍍膜設置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0031]當所述膨脹錐設置所述過渡層6時，通過多弧離子鍍膜設置所述過渡層6。
[0032]根據本發明所述的方法，所述的多弧離子鍍膜包括預處理、沉積及後處理。
[0033]根據本發明所述的方法，所述薄膜的沉積的條件為:通入氬氣和氮氣的混合氣使真空度為3.0X KT1Pa?2Pa，弧電流為50A?80A，偏壓為-50V?-400V ；
[0034]本發明優選所述的TiN或TiAlN薄膜的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0035]根據本發明所述的方法，在多弧離子鍍膜前還包括對膨脹錐進行離子清洗步驟。
[0036]根據本發明所述的方法，所述離子清洗步驟可以為現有技術常規的離子清洗，本發明所優選的包括:將膨脹錐非鍍膜區域遮擋，在真空條件下採用加高負偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區域進行轟擊清洗。
[0037]其中本發明優選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區域；
[0038]其中本發明還優選所述載能離子為載能氬離子。
[0039]根據本發明所述的方法，在離子清洗步驟前還包括預處理步驟:先後用丙酮和乙醇清洗膨脹錐，清洗後將膨脹錐乾燥處理。
[0040]所述乾燥處理為本領域常規操作，譬如吹乾。
[0041]根據本發明所述的方法，所述的多弧離子鍍膜沉積過渡層時通入氬氣使真空度為
3.0XKT2Pa ?3.0 X KT1Pa,弧電流為 50A ?80A，偏壓為-50V ?-400V。
[0042]本發明優選所述的過渡層的沉積為:弧電流80A，偏壓-100V。
[0043]綜上所述，本發明提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法。本發明的膨脹錐具有如下優點:
[0044]本發明提供一種耐磨損的膨脹錐製造方法，將硬質薄膜用於膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，減小膨脹錐作業過程中的磨損，降低摩擦阻力，可以用於膨脹管技術。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1為本發明實施例1的附有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐示意圖；其中，I為膨脹錐，2為變徑段，3為TiN或TiAlN薄膜，4為定徑段，5為導向段；
[0046]圖2為設置了過渡層的膨脹錐局部放大示意圖，其中6為Ti或TiAl過渡層；
[0047]圖3為實施例2的設置了過渡層的膨脹錐局部放大示意圖，其中6為Ti或TiAl過渡層。
【具體實施方式】
[0048]以下通過具體實施例詳細說明本發明的實施過程和產生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發明的實質和特點，不作為對本案可實施範圍的限定。
[0049]實施例1
[0050]如圖1、圖2所示，在膨脹錐工作面鍍膜區域氣相沉積TiN硬質薄膜3，薄膜3的厚度為2 μ m。TiN硬質薄膜3覆蓋了全部的變徑段2和部分的定徑段4、導向段5。
[0051]其製備包括以下幾個步驟:
[0052]預處理:先後在丙酮和乙醇中清洗膨脹錐1，去除表面附著物和汙染物並吹乾表面。[0053]離子清洗:採用鋁箔將膨脹錐I非鍍膜區域遮擋，鍍膜區域為包含變徑段2的區域(圖1)，將膨脹錐I放入真空室。當真空度達到5.0X IO-4Pa時，在膨脹錐I和樣品架之間加上-800V的偏壓，並在真空室內通入高純氬氣使真空度達到2Pa，通過電離產生的載能氬離子轟擊膨脹錐鍍膜區域，進一步去除表面吸附物並使表面活化以利於獲得高質量的TiN薄膜。
[0054]沉積TiN薄膜:採用多弧離子鍍膜的方法在鍍膜區域沉積厚度為2 μ m的薄膜3。首先，在工件表面沉積一層厚度0.2 μ m的Ti過渡層6以提高工件和TiN薄膜的膜/基結合力(圖2)，Ti過渡層6主要沉積工藝參數為:弧電流80A，偏壓-100V ;然後沉積TiN薄膜，主要沉積工藝參數為:弧電流60A，偏壓-100V。按照此工藝製備的TiN薄膜硬度優於20GPa，膜/基結合力優於50N。
[0055]後處理:膨脹錐表面沉積TiN薄膜後，為降低薄膜內應力和防止氧化，在真空室內冷卻至室溫。
[0056]實施例2
[0057]如圖3所示，TiN硬質薄膜3覆蓋了全部的變徑段2，沒有覆蓋定徑段4和導向段
5。其他同實施例1。
【權利要求】
1.一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，其特徵在於，所述膨脹錐(I)的工作面外表面至少在膨脹錐變徑段(2)的區域設置TiN或TiAlN薄膜(3)，所述薄膜(3)環繞膨脹錐設置一周；所述薄膜(3)厚度為0.5 μ m-5 μ m ;優選所述薄膜(3)納米硬度在20GPa_30GPa。
2.根據權利要求1所述的膨脹錐，其特徵在於，在所述TiN或TiAlN薄膜(3)和膨脹錐(I)工作面外表面之間還設置過渡層(6)，TiN薄膜(3)採用Ti過渡層，TiAlN薄膜(3)採用TiAl過渡層；優選所述TiN或TiAlN薄膜(3)和過渡層(6)形狀匹配且重疊設置；還優選所述過渡層(6)厚度為0.1?0.5 μ m ;更優選為0.2 μ m。
3.根據權利要求1或2所述的膨脹錐，其特徵在於，所述TiN或TiAlN薄膜(3)，以及所述過渡層(6)是通過多弧離子鍍膜設置在所述膨脹錐(I)工作面外表面。
4.根據權利要求3所述的膨脹錐，其特徵在於，所述的多弧離子鍍膜包括預處理、沉積及後處理。
5.根據權利要求4所述的膨脹錐，其特徵在於，所述薄膜的沉積的條件為:沉積時通入氬氣和氮氣的混合氣使真空度為3.0X KT1Pa?2Pa，弧電流為50A?80A，偏壓為-50V ?-400V。
6.根據權利要求3所述的膨脹錐，其特徵在於，在多弧離子鍍膜前還包括對膨脹錐進行離子清洗步驟。
7.根據權利要求6所述的膨脹錐，其特徵在於，所述離子清洗步驟包括:將膨脹錐非鍍膜區域遮擋，在真空條件下通過加負偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區域進行轟擊清洗；其中優選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區域；其中還優選所述載能離子為載能氬離子。
8.根據權利要求6所述的膨脹錐，其特徵在於，在離子清洗步驟前還包括預處理步驟:先後用丙酮和乙醇清洗膨脹錐，清洗後將膨脹錐乾燥處理。
9.根據權利要求4所述的膨脹錐，其特徵在於，所述的過渡層的沉積的條件為:沉積時通入氬氣使真空度為3.0XlO-2Pa?3.0XlO-1Pa,弧電流為50A?80A，偏壓為-50V ?-400V。
10.權利要求3?9任意一項所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐的加工方法，其特徵在於，所述方法包括通過多弧離子鍍膜將所述TiN或TiAlN薄膜(3)，以及所述過渡層(6)設置在所述膨脹錐(I)工作面外表面。
【文檔編號】C23C14/06GK103758477SQ201310741201
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】劉合, 商宏飛, 魏松波, 邵天敏, 李濤, 石白茹, 裴曉含, 鄭立臣, 李益良, 孫強, 高揚 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 清華大學