一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐，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(qū)域設(shè)置TiN或TiAlN薄膜層（3），所述薄膜層（3）環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周；所述薄膜層（3）厚度為0.5μm-5μm；優(yōu)選所述薄膜層（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(jié)合力和耐磨損性能，較低的摩擦系數(shù)。TiN或TiAlN薄膜層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(shuō)明】—種具有T i N或T i AIN薄膜層的膨脹錐
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于油氣田開發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐。
【背景技術(shù)】
[0002]膨脹管技術(shù)是石油工程領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)的重大新技術(shù)，也是近幾年的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。膨脹管技術(shù)是在液壓或機(jī)械力的作用下，驅(qū)動(dòng)膨脹錐在膨脹管內(nèi)產(chǎn)生軸向移動(dòng)，使膨脹管超過(guò)彈性極限發(fā)生永久塑性變形從而達(dá)到增大采油管柱或井眼內(nèi)徑的目的。膨脹管技術(shù)可有效地解決傳統(tǒng)井深結(jié)構(gòu)井越深、套管層數(shù)越多，最終的井眼直徑將會(huì)很小的問(wèn)題，可用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)過(guò)程。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外所用膨脹錐為高強(qiáng)度鋼，膨脹管是由低碳鋼經(jīng)特殊加工而成的套管。套管的膨脹過(guò)程也就是膨脹錐表面和膨脹套管內(nèi)表面構(gòu)成的一對(duì)摩擦副的摩擦過(guò)程。由于膨脹錐的外徑大于膨脹管的內(nèi)徑，塑性變形所需要的力導(dǎo)致膨脹錐與可膨脹套管內(nèi)表面間的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)械傳動(dòng)中接觸表面間的壓力，機(jī)械軸承中，接觸面壓通常只有20-50MPa，研究結(jié)果表明，為了使套管被擴(kuò)張變形，膨脹工具與套管內(nèi)壁間的接觸面壓力可以高達(dá)500-800MPa，作業(yè)過(guò)程中接觸界面伴隨極高的溫升，由于膨脹錐和膨脹管材料都屬于鋼材，所以存在粘著現(xiàn)象，造成一定的粘著磨損。且作業(yè)環(huán)境中存在的砂粒，對(duì)膨脹維表面造成嚴(yán)重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過(guò)程中對(duì)膨脹錐存在嚴(yán)重的摩擦磨損問(wèn)題。膨脹管作業(yè)過(guò)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(guò)提高膨脹錐表面材料的強(qiáng)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(guó)內(nèi)外主要以在膨脹管表面涂潤(rùn)滑劑、包含潤(rùn)滑劑的微膠囊涂層、在膨脹錐中附加一個(gè)機(jī)構(gòu)用以提供潤(rùn)滑劑等方法降低摩擦磨損，但液體潤(rùn)滑材料在接觸面壓力高達(dá)500-800MPa時(shí)不能發(fā)揮作用，固體潤(rùn)滑涂層在長(zhǎng)井段的膨脹過(guò)程中存在嚴(yán)重的磨損消耗脫落失去作用等問(wèn)題，導(dǎo)致膨脹錐磨損嚴(yán)重，提高了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。完全用硬質(zhì)合金材料制成的膨脹錐，可以顯著提高膨脹錐的硬度，但由于硬質(zhì)合金材料脆性大，在膨脹作業(yè)過(guò)程中存在容易脆裂的危險(xiǎn)。本實(shí)用新型的目的就在于針對(duì)上述現(xiàn)有方法的不足，提供一種新的提高膨脹錐耐磨損、延長(zhǎng)膨脹錐使用壽命的方法。
[0005]氣相沉積的TiN和TiAlN薄膜層具有較高硬度，優(yōu)良的耐磨損性能，已經(jīng)成功應(yīng)用作刀具涂層，顯著提高了刀具的使用壽命。將TiN和TiAlN薄膜層用于膨脹錐表面，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(dá)到降低膨脹壓力、延長(zhǎng)使用壽命、降低作業(yè)壓力、提高作業(yè)成功率的目的。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐，本實(shí)用新型在膨脹錐外表面特定位置沉積硬質(zhì)薄膜層，該薄膜層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]為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐，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(qū)域設(shè)置TiN或TiAlN薄膜層3，所述薄膜層3環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，優(yōu)選所述薄膜層3厚度為0.5-5 μ m。
[0009]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，優(yōu)選所述薄膜層3厚度為2 μ m。
[0010]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，優(yōu)選所述薄膜層3為納米硬度在20GPa_30GPa的
薄膜層。
[0011]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述TiN或TiAlN薄膜層3是通過(guò)多弧離子鍍膜設(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面的TiN或TiAlN薄膜層3。
[0012]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，在所述TiN或TiAlN薄膜層3和膨脹錐I工作面外表面之間還設(shè)置過(guò)渡層6 ；
[0013]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述過(guò)渡層6與所述TiN或TiAlN薄膜層3形狀
匹配且重疊設(shè)置。
[0014]其中應(yīng)當(dāng)理解的是，所述的過(guò)渡層6與所述的薄膜層3重疊設(shè)置；薄膜層3與過(guò)渡層6面積相同，以使得薄膜層3和過(guò)渡層6完全匹配。
[0015]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，本實(shí)用新型優(yōu)選所述過(guò)渡層厚度為0.1?
0.5 μ m ；
[0016]其中更優(yōu)選為0.2 μ m。
[0017]根據(jù)本實(shí)用新型前面任意所述的膨脹錐，當(dāng)膨脹錐為具有TiN薄膜層3的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層6為Ti過(guò)渡層；當(dāng)膨脹錐為具有TiAlN薄膜層3的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層6為TiAl過(guò)渡層。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，過(guò)渡層6為通過(guò)多弧離子鍍膜設(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面的過(guò)渡層。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述的多弧離子鍍膜包括預(yù)處理、薄膜層的沉積及后處理，按照此過(guò)程可以獲得硬度高、膜/基結(jié)合力好的TiN或TiAlN薄膜層。
[0020]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述薄膜層的沉積的條件為:通入氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚馐拐婵斩葹?.0X KT1Pa?2Pa，弧電流為50A?80A，偏壓為-50V?-400V ；
[0021]本實(shí)用新型優(yōu)選所述的TiN或TiAlN薄膜層的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0022]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，在多弧離子鍍膜前還包括對(duì)膨脹錐進(jìn)行離子清洗步驟。
[0023]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述離子清洗步驟可以為現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的離子清洗，本實(shí)用新型所優(yōu)選的包括:將膨脹錐非鍍膜區(qū)域遮擋，在真空條件下采用加高負(fù)偏壓的方式對(duì)轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域進(jìn)行轟擊清洗。
[0024]其中本實(shí)用新型優(yōu)選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區(qū)域；
[0025]其中本實(shí)用新型還優(yōu)選所述載能離子為載能氬離子。
[0026]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，在離子清洗步驟前還包括預(yù)處理步驟:先后用有機(jī)溶劑清洗膨脹錐，清洗后將膨脹錐干燥處理。
[0027]所述干燥處理為本領(lǐng)域常規(guī)操作，譬如吹干。[0028]根據(jù)本實(shí)用新型所述的膨脹錐，所述的多弧離子鍍膜沉積過(guò)渡層時(shí)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]本實(shí)用新型優(yōu)選所述的過(guò)渡層的沉積為:弧電流80A，偏壓-100V。
[0030]本實(shí)用新型還提供了所述具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐的加工方法，所述方法包括將TiN或TiAlN薄膜層通過(guò)多弧離子鍍膜設(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0031]當(dāng)所述膨脹錐設(shè)置所述過(guò)渡層6時(shí)，通過(guò)多弧離子鍍膜設(shè)置所述過(guò)渡層6。
[0032]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，所述的多弧離子鍍膜包括預(yù)處理、薄膜層的沉積及后處理。
[0033]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，所述薄膜層的沉積的條件為:通入氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚馐拐婵斩葹?.0X KT1Pa?2Pa，弧電流為50A?80A，偏壓為-50V?-400V;
[0034]本實(shí)用新型優(yōu)選所述的TiN或TiAlN薄膜層的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0035]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，在多弧離子鍍膜前還包括對(duì)膨脹錐進(jìn)行離子清洗步驟。
[0036]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，所述離子清洗步驟可以為現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的離子清洗，本實(shí)用新型所優(yōu)選的包括:將膨脹錐非鍍膜區(qū)域遮擋，在真空條件下采用加高負(fù)偏壓的方式對(duì)轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域進(jìn)行轟擊清洗。
[0037]其中本實(shí)用新型優(yōu)選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區(qū)域；
[0038]其中本實(shí)用新型還優(yōu)選所述載能離子為載能氬離子。
[0039]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，在離子清洗步驟前還包括預(yù)處理步驟:先后用丙酮和乙醇清洗膨脹錐，清洗后將膨脹錐干燥處理。
[0040]所述干燥處理為本領(lǐng)域常規(guī)操作，譬如吹干。
[0041]根據(jù)本具體產(chǎn)品的方法，所述的多弧離子鍍膜沉積過(guò)渡層時(shí)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]本實(shí)用新型優(yōu)選所述的過(guò)渡層的沉積為:弧電流80A，偏壓-100V。
[0043]綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐。本實(shí)用新型的膨脹錐具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0044]本實(shí)用新型提供一種耐磨損的膨脹錐，將硬質(zhì)薄膜層用于膨脹錐表面，提高膨脹錐耐磨損性能，減小膨脹錐作業(yè)過(guò)程中的磨損，降低摩擦阻力，可以用于膨脹管技術(shù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的附有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐示意圖；其中，I為膨脹錐，2為變徑段，3為TiN或TiAlN薄膜層，4為定徑段，5為導(dǎo)向段；
[0046]圖2為設(shè)置了過(guò)渡層的膨脹錐局部放大示意圖，其中6為Ti或TiAl過(guò)渡層；
[0047]圖3為實(shí)施例2的設(shè)置了過(guò)渡層的膨脹錐局部放大示意圖，其中6為Ti或TiAl過(guò)渡層。
【具體實(shí)施方式】
[0048]以下通過(guò)具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施過(guò)程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)和特點(diǎn)，不作為對(duì)本案可實(shí)施范圍的限定。
[0049]實(shí)施例1[0050]如圖1、圖2所示，在膨脹錐工作面鍍膜區(qū)域氣相沉積TiN硬質(zhì)薄膜層3，薄膜層3的厚度為2 μ m。TiN硬質(zhì)薄膜3覆蓋了全部的變徑段2和部分的定徑段4、導(dǎo)向段5。
[0051]其制備包括以下幾個(gè)步驟:
[0052]預(yù)處理:先后在丙酮和乙醇中清洗膨脹錐1，去除表面附著物和污染物并吹干表面。
[0053]離子清洗:采用鋁箔將膨脹錐I非鍍膜區(qū)域遮擋，鍍膜區(qū)域?yàn)榘儚蕉?的區(qū)域(圖1)，將膨脹錐I放入真空室。當(dāng)真空度達(dá)到5.0X IO-4Pa時(shí)，在膨脹錐I和樣品架之間加上-800V的偏壓，并在真空室內(nèi)通入高純氬氣使真空度達(dá)到2Pa，通過(guò)電離產(chǎn)生的載能氬離子轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域，進(jìn)一步去除表面吸附物并使表面活化以利于獲得高質(zhì)量的TiN薄膜層。
[0054]沉積TiN薄膜層:采用多弧離子鍍膜的方法在鍍膜區(qū)域沉積厚度為2 μ m的薄膜層
3。首先，在工件表面沉積一層厚度0.2 μ m的Ti過(guò)渡層6以提高工件和TiN薄膜層的膜/基結(jié)合力(圖2)，Ti過(guò)渡層6主要沉積工藝參數(shù)為:弧電流80A，偏壓-100V ;然后沉積TiN薄膜層，主要沉積工藝參數(shù)為:弧電流60A，偏壓-100V。按照此工藝制備的TiN薄膜層硬度優(yōu)于20GPa,膜/基結(jié)合力優(yōu)于50N。
[0055]后處理:膨脹錐表面沉積TiN薄膜層后，為降低薄膜層內(nèi)應(yīng)力和防止氧化，在真空室內(nèi)冷卻至室溫。
[0056]實(shí)施例2
[0057]如圖3所示，TiN硬質(zhì)薄膜3覆蓋了全部的變徑段2，沒(méi)有覆蓋定徑段4和導(dǎo)向段
5。其他同實(shí)施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種具有TiN或TiAlN薄膜層的膨脹錐，其特征在于，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(qū)域設(shè)置TiN或TiAlN薄膜層(3)，所述薄膜層(3)環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，所述薄膜層(3)厚度為0.5μπι-5μπι。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的膨脹錐，其特征在于，所述薄膜層(3)厚度為2μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，所述薄膜層(3)為納米硬度在20GPa-30GPa的薄膜層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任意一項(xiàng)所述的膨脹錐，其特征在于，在所述TiN或TiAlN薄膜層(3 )和膨脹錐(I)工作面外表面之間還設(shè)置過(guò)渡層(6 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的膨脹錐，其特征在于，所述過(guò)渡層(6)與所述TiN或TiAlN薄膜層(3)形狀匹配且重疊設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的膨脹錐，其特征在于，所述過(guò)渡層(6)厚度為0.1?0.5 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的膨脹錐，其特征在于，所述過(guò)渡層(6)厚度為0.2 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的膨脹錐，其特征在于，當(dāng)膨脹錐為具有TiN薄膜層(3)的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層(6)為Ti過(guò)渡層；當(dāng)膨脹錐為具有TiAlN薄膜層(3)的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層(6)為TiAl過(guò)渡層。
10.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的膨脹錐，其特征在于，當(dāng)膨脹錐為具有TiN薄膜層(3)的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層(6)為Ti過(guò)渡層；當(dāng)膨脹錐為具有TiAlN薄膜層(3)的膨脹錐時(shí)，所述過(guò)渡層(6)為TiAl過(guò)渡層。
【文檔編號(hào)】B32B15/04GK203729932SQ201320878720
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)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(qiáng), 高揚(yáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司, 清華大學(xué)