專利名稱：改進(jìn)彈性體耐磨性用的無機(jī)涂層的離子束輔助沉積的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彈性體密封件，更特別地，本發(fā)明涉及通過使用離子束輔助沉積，用硬質(zhì)涂層涂布彈性體密封件，來改進(jìn)彈性體密封件的耐磨性。
背景技術(shù)：
和發(fā)明概述
背景技術(shù)：
物理氣相沉積(PVD) 物理氣相沉積(PVD)方法(常常稱為薄膜法)是原子沉積法，其中從固體或液體源中以原子或分子形式氣化材料，通過真空或低壓氣體(或等離子體)環(huán)境以蒸汽形式輸送到基底上，在此它冷凝。

圖1A和1B是PVD法總的示意圖。典型地，PVD法用于沉積厚度范圍為數(shù)納米到數(shù)千納米的膜；然而，也可使用它們形成多層涂層、分級組成的沉降物、非常厚的沉積物和自立式結(jié)構(gòu)?；椎某叽绶秶梢允欠浅Ｐ〉椒浅４?，例如對于建筑玻璃來說，10′×12′的玻璃板。基底的形狀范圍可以是從平坦到復(fù)雜的幾何形狀，例如手表帶和工具鉆頭。典型的PVD沉積速度為10-100埃(1-10納米)/秒。
可使用反應(yīng)性沉積法，將PVD法用于沉積元素和合金以及化合物的膜。在反應(yīng)性沉積法中，通過沉積材料與周圍氣體環(huán)境，例如氮?dú)?例如，氮化鈦，TiN)或者與共沉積材料(例如，碳化鈦，TiC)反應(yīng)，形成化合物。準(zhǔn)反應(yīng)性沉積是由化合物源沉積化合物材料的膜，其中通過反應(yīng)性氣體在沉積環(huán)境內(nèi)的分壓來補(bǔ)償在輸送和冷凝工藝過程中，揮發(fā)性較大的物種或反應(yīng)性較低的物種的損失?？稍贒onaldM.Mattox的Handbool of Physical Vapor Deposition(PVD)Processing-Film Formation，Adhesion，Surface Preparation andContamination Control(物理氣相沉積(PVD)加工手冊-成膜、粘合、表面制備和污染控制)，Soc.Of Vacuum Coaters，Albuquerque，NM(1998)中找到PVD法更深入的綜述，在此通過參考將其引入。
背景技術(shù)：
離子植入 離子植入是改性材料的表面性能的一種高技術(shù)方法。它類似于涂布法，但它不牽涉在該表面上添加層。離子植入利用高能離子束(荷正電的原子)來改性材料的表面結(jié)構(gòu)和在低溫下的化學(xué)。該方法沒有負(fù)面影響組件的尺寸或本體材料的性能。
采用離子植入，很多表面性能，其中包括硬度和耐磨性、抗化學(xué)進(jìn)攻和減少的摩擦可得到改進(jìn)。該方法可應(yīng)用到基本上任何材料上，其中包括大多數(shù)金屬、陶瓷和聚合物。然而，該方法的影響典型地是材料特異的。
在真空腔室內(nèi)，在非常低的壓力(10-410-5torr)下，進(jìn)行離子植入方法。大數(shù)量的離子(典型地1016-1017個離子/cm2)轟擊并滲透表面，與就在表面下方的基底原子相互作用。離子滲透的典型深度是分?jǐn)?shù)微米(或者一英寸的數(shù)百萬分之一)。能量離子與材料的相互作用改性該表面，從而提供該表面與其余材料相比顯著不同的性能。具體的性能改變?nèi)Q于所選的離子束的處理參數(shù)，例如特定的離子物種、能量和影響該表面的離子總數(shù)。
在諸如圖2所示的體系中通過多步法產(chǎn)生離子。在等離子體中，通過從源原子中除去電子，引發(fā)形成離子。然后提取離子，并穿過質(zhì)量分析磁鐵，所述質(zhì)量分析磁鐵僅僅選擇所需物種、同位素和電荷狀態(tài)的那些離子。然后使用電勢梯度塔加速離子束。典型的離子能量為10-200keV。一系列的靜電和磁透鏡元件使所得離子束成型并在含有待處理的部件的終點(diǎn)站的區(qū)域內(nèi)掃描。離子植入提供處理組件表面的許多優(yōu)勢。主要的優(yōu)勢是能選擇改性表面且沒有有害地影響本體性能，這主要是因?yàn)樵摲椒ㄔ诘偷幕诇囟认逻M(jìn)行。該方法同樣是極端可控且可再現(xiàn)的，且可以以所需的方式微調(diào)它，以改性不同的表面。盡管它是一種瞄準(zhǔn)線(line-of-sight)方法，但可使用專門的夾具均勻地處理復(fù)雜幾何體。
背景技術(shù)：
離子束輔助的沉積(IBAD) 離子束輔助的沉積(IBAD)在高真空下使用兩種物理過程離子植入和物理氣相沉積(PVD)。
在IBAD中，金屬或氧化物靶位于蒸發(fā)器處且用于薄膜沉積?？捎上∮袣怏w或由諸如氮?dú)饣蜓鯕庵惖臍怏w生成離子束(且對層沉積的額外化學(xué)影響導(dǎo)致改變的氮化物或氧化物的化學(xué)計量量)。
在IBAD方法中，離子轟擊是控制薄膜性能的關(guān)鍵因素。如同在離子植入中一樣，離子賦予涂層和涂層/基底界面大量的能量。這實(shí)現(xiàn)基底加熱的優(yōu)勢(這種加熱提倡更加致密、更加均勻的膜)，且沒有顯著加熱基底材料和劣化本體性能。離子也還與涂層原子相互作用，從而驅(qū)動它們進(jìn)入基底并產(chǎn)生分級的材料界面，這種分級的材料界面提高粘合性。這些因素結(jié)合使得可在大多數(shù)基底上，其中包括在聚合物上的極其粘著的金屬涂層上沉積基本上任何涂料材料的均勻、粘著、低應(yīng)力的膜。因此，IBAD使得可高質(zhì)量地沉積，而常規(guī)的PVD涂層會出現(xiàn)故障。圖3是IBAD方法總的示意圖。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)鉆探 通過旋轉(zhuǎn)鉆探的方法來鉆探油井和氣井。在常規(guī)的鉆機(jī)中，如圖4所示，鉆頭10安裝在鉆柱12(鉆桿加上鉆環(huán))上，鉆柱12可能具有數(shù)米長。在表面處，旋轉(zhuǎn)動力轉(zhuǎn)動鉆柱，其中包括在孔隙底部的鉆頭10，同時通過非常大功率的泵，泵送鉆井流體(或“淤泥”)經(jīng)過鉆柱12。
當(dāng)鉆頭在鉆探過程中磨耗或破碎時，必須將其引出孔隙。這要求被稱為“從井下抽出(tripping)”的工藝重型吊車將整個鉆柱牽拉出孔隙，其中一次(例如)約90英尺的步階。在提升每一步階之后，擰下一“段(stand)”管道，并放置在旁邊以供再組裝(同時鉆柱的重量臨時通過另一裝置支持)。由于鉆柱的總重量可能是數(shù)百噸，且鉆柱的長度可能是數(shù)千英尺長，這不是一件普通的工作。一次從井下抽出可能要求數(shù)十小時，且在鉆探的預(yù)算中是重要的花費(fèi)。為了重新開始鉆探，必須顛倒整個工藝。因此，在鉆探過程中，鉆頭的耐用性是非常重要的，以最小化用于鉆頭更換的一輪從井下抽出的工藝。
主要的兩類鉆頭正在使用中；一類是輥壓牙輪鉆頭。圖5示出了(插入類型的)完整鉆頭的一個實(shí)例，其中一組旋轉(zhuǎn)錐體14(各自具有許多鋸齒或鑲?cè)胧浇嘏鞯?6)安裝在臂18上的堅(jiān)固軸承上。鉆頭的鋸齒必須在由向下擠壓鉆頭到巖石內(nèi)的“在鉆頭上的重力(weighton bit)”(WOB)以及由在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動時施加的扭矩提供的所需力下粉碎或切割巖石。盡管在一些情況下，WOB為大于或等于100,000磅，但在鉆頭處實(shí)際觀察到的力不是恒定的被切割的巖石可具有較硬和較軟的部分(和可能不均勻地破碎)，且鉆柱本身在以許多不同的模式振動，因此，鉆頭必須能在偏僻的環(huán)境內(nèi)在高且可變的應(yīng)力下長時間段地操作。
當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時，輥壓錐體在孔隙底部輥動。在鉆頭上的重力迫使旋轉(zhuǎn)錐體指向朝下的鋸齒進(jìn)入待鉆探的巖層內(nèi)，從而施加超過巖層屈服應(yīng)力的擠壓應(yīng)力，并進(jìn)而導(dǎo)致破碎。所得碎片通過鉆孔流體的高速流動從切割面向外奔流。
背景技術(shù)：
在鉆探中密封件的重要性 在鉆頭的操作中，淤泥的流動是最主要的因素之一，其起到除去通過鉆頭從巖石巖層中切斷的切屑的作用，同時還冷卻鉆頭和鋸齒(以及其它功能)。然而，(在切割面處恒定地釋放的)在淤泥內(nèi)的巖石碎片使得淤泥成為非常磨蝕的流體。
至少一種密封件通常被設(shè)計成臂/錐體接頭，以排除來自軸承的充滿磨蝕切屑的淤泥。
圖6是一部分輥壓牙輪鉆頭的截面視圖。從概圖中看到輥壓錐體10的外表面，同時看到具有輥壓軸承22和球形軸承24的軸頸20，當(dāng)它們被裝配到錐體內(nèi)時。在示出其截面的剖面中可看到密封件26和密封管28，所述密封件26和密封管28當(dāng)它繞軸頸旋轉(zhuǎn)時，位于錐體內(nèi)。
密封輥壓牙輪鉆頭的特殊要求尤其難度大。在其中帶有粉碎巖石顆粒的鉆孔流體的湍流流動受數(shù)百馬力的泵驅(qū)動的環(huán)境內(nèi)操作鉆頭。來自鉆柱的淤泥流也可攜帶夾帶的磨蝕微粒。當(dāng)密封件出現(xiàn)故障時，充滿磨蝕切屑的淤泥將非?？焖俚仄茐妮S承。因此，在鉆頭的壽命中，密封件是非常關(guān)鍵的因素，且可能確實(shí)是決定性因素。
背景技術(shù)：
改進(jìn)鉆頭密封件耐磨性的現(xiàn)有技術(shù)的嘗試 改進(jìn)鉆頭密封件耐磨性的現(xiàn)有技術(shù)的嘗試包括添加有機(jī)材料到密封件的表面上。例如，在Denton等人的美國專利No.5456327中，密封件的表面用有機(jī)材料，例如金屬二硫化物、氟聚合物、聚乙烯聚合物、硅氧烷聚合物和聚氨酯聚合物來改性。這些有機(jī)材料通過最小化密封件表面與相鄰表面之間的粘著來改進(jìn)密封件的耐磨性，從而最小化因粘著-滑動導(dǎo)致的在密封件表面處的材料損失。用有機(jī)材料處理的密封件的其它實(shí)例包括獲自ChemrazTM的Fluoro-彈性體742。
背景技術(shù)：
有機(jī)涂層的缺點(diǎn) 有機(jī)材料通過減少在密封件表面與相鄰表面之間的粘著來改進(jìn)在動態(tài)表面處密封件的耐磨性。然而，這些涂層不能提供軟質(zhì)密封件表面對較硬表面的支持。彈性體密封件的軟質(zhì)表面仍與硬質(zhì)表面接觸。
此外，有機(jī)涂層沒有保護(hù)密封件以防磨蝕顆粒。磨蝕顆粒傾向于在密封區(qū)域的正面邊緣附近累積。磨蝕聚集體將磨耗掉密封件，結(jié)果導(dǎo)致次要的磨損的區(qū)域。這反過來使得磨蝕顆粒更多地累積并加速磨蝕顆粒滲透到密封區(qū)域內(nèi)。
離子束輔助沉積用于改進(jìn)彈性體耐磨性的無機(jī)涂層 本發(fā)明涉及在鉆頭中使用的彈性體密封件，其中在優(yōu)選的彈性體密封件的表面上沉積無機(jī)表面改性材料。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過離子束輔助沉積(IBAD)，將無機(jī)表面改性材料沉積在密封件的表面上，但可使用其它方法。
通過添加無機(jī)涂層來改進(jìn)在動態(tài)表面處密封件的耐磨性。較硬的表面提供軟質(zhì)密封件表面支持，且還提供對磨蝕顆粒的保護(hù)，所述磨蝕顆粒傾向于在密封區(qū)域的正面一端的附近處累積。磨蝕聚集體將磨耗掉密封件，產(chǎn)生次要的磨損區(qū)域。這反過來使得磨蝕顆粒更多地累積并加速磨蝕顆粒滲透到密封區(qū)域內(nèi)。因此，無機(jī)涂層傾向于不僅降低在主要的密封區(qū)域內(nèi)的磨耗，而且降低在次要的磨損區(qū)域內(nèi)的磨耗。
附圖簡述 參考附圖描述所公開的發(fā)明，其中附圖示出了本發(fā)明的重要的樣品實(shí)施方案，且在此通過參考引入到說明書內(nèi)，其中 圖1A和1B是PVD法的一般示意圖。
圖2是離子植入的一般示意圖。
圖3是離子束輔助沉積法的一般示意圖。
圖4描述了鉆機(jī)。
圖5描述了輥狀牙輪鉆頭。
圖6是一部分輥狀牙輪鉆頭的截面視圖。
圖7是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的流程圖。
圖8示出了密封件(它是由彈性體材料制造的一種典型的O形環(huán))，和通過無機(jī)表面改性材料涂布的密封件。
圖9示出了磨壞的生產(chǎn)密封件的輪廓圖和新密封件的輪廓圖。
圖10示出了三種未處理的密封件在加速鉆探條件下測試之后的磨損斷面圖。
圖11A-11D示出了通過本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案處理的四種試驗(yàn)密封件在加速鉆探條件下測試之后的磨損斷面圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明 特別參考目前優(yōu)選的實(shí)施方案(作為例舉，而不是限制)，描述本申請的許多創(chuàng)造性教導(dǎo)。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)在鉆頭中使用的密封件耐磨性的新方式，于是大大地延長了鉆頭的壽命。
正如圖7所示，在一個例舉的實(shí)施方案中，本申請的彈性體密封件最初用氬離子轟擊，敲打(putter)清洗表面(步驟710)。然后蒸發(fā)并在彈性體密封件表面上沉積無機(jī)表面改性材料，例如金屬或陶瓷材料(步驟712)，同時離子束賦予涂層和涂層/基底界面大量的能量(步驟714)。無機(jī)材料可以是任何金屬，例如鎳或鉻。無機(jī)材料也可以是任何陶瓷，其中包括，但不限于氮化鉻或碳化鈦。
用鉻原子涂布本發(fā)明一個實(shí)施方案的四種試驗(yàn)密封件。在沉積過程中，使用氬離子轟擊鉻原子，以提高涂層的粘合性并增加涂層密度。盡管可采用變化的射束密度，例如0.01-5.0mA/cm2的射束密度進(jìn)行這一方法，但用于該使用密封件的射束電流密度為1.0mA/cm2。離子能可急劇地變化，例如50-2000eV，且試驗(yàn)密封件所使用的離子能為1000eV。射束直徑為8″，旋轉(zhuǎn)密封件，以獲得涂層和離子轟擊二者的均勻覆蓋率，但也可使用其它制備方式。在該實(shí)施例中，結(jié)果是2.0微米的涂層厚度，但涂層厚度可以變化，且包括0.05-5微米的范圍。在試驗(yàn)實(shí)施例中的鉻原子滲透彈性體密封件到不大于5納米的深度。在寬范圍的壓力下進(jìn)行這一方法，且包括范圍為0.1-1.0mtorr的壓力。在0.5mtorr的壓力下處理試驗(yàn)密封件。
圖8示出了密封件810，它是由彈性體材料制造的一種典型的O形環(huán)。密封件812是通過無機(jī)表面改性材料涂布的相同類型的O形環(huán)。在這一特別的情況下，無機(jī)表面改性材料是鎳。
圖9示出了輪廓圖910，它是磨壞的生產(chǎn)密封件的截面的數(shù)碼斷面圖。輪廓圖912是新密封件的斷面圖。正如在輪廓圖910中的鋸齒部分所示，磨蝕顆粒傾向于在密封區(qū)域的正面邊緣(在密封件的凸出側(cè)上的平坦區(qū)域)附近累積。磨蝕聚集體磨耗掉密封件，導(dǎo)致在圓形區(qū)域914內(nèi)所示的次要的磨損區(qū)域。這反過來使得磨蝕顆粒更多地累積并加速磨蝕顆粒滲透到密封區(qū)域內(nèi)。因此，認(rèn)為無機(jī)涂層傾向于不僅降低在主要的密封區(qū)域內(nèi)的磨耗，而且降低在次要的磨損區(qū)域內(nèi)的磨耗。
圖10示出了三種未處理的密封件在加速鉆探條件下測試之后的磨損斷面圖。正如附圖標(biāo)記1010、1012和1014所示，未處理的密封件顯示出在動態(tài)表面上磨損的跡象。未處理的密封件還顯示出在次要區(qū)域內(nèi)磨損的跡象。
圖11A-11D示出了如上所述處理的四種試驗(yàn)密封件的磨損斷面圖。在與三種未處理的密封件相同的加速鉆探條件下測試這四種試驗(yàn)密封件。
在比較處理的密封件的磨損斷面圖與未處理的密封件的磨損斷面圖中，在動態(tài)表面上的磨損不如在處理的密封件上嚴(yán)重。另外，在密封區(qū)域正面的次要的磨損也不如處理的密封件上一樣顯著。因此，無機(jī)涂層改進(jìn)動態(tài)表面處密封件的耐磨性。無機(jī)涂層還提供保護(hù)防止磨蝕顆粒，所述磨蝕顆粒傾向于在密封區(qū)域的正面端附近累積。認(rèn)為盡管沒有得到證明，但無機(jī)涂層也可通過最小化在密封表面與相鄰表面之間的粘著來改進(jìn)耐磨性。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種密封件，所述密封件包括具有動態(tài)密封界面的彈性體主體；和沉積在該彈性體主體表面內(nèi)且增加表面硬度的無機(jī)表面改性材料；于是在動態(tài)密封條件下，在動態(tài)密封界面處密封件的磨損與摩擦特征得到改進(jìn)。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種密封件，所述密封件包括彈性體主體；和涂布在該彈性體主體表面上并浸漬在其內(nèi)的無機(jī)材料。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供改性密封件表面組成的方法，該方法包括下述操作用無機(jī)材料的離子轟擊密封件的表面，同時還用至少一種其它能量源轟擊該表面。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供改進(jìn)彈性體密封件耐磨性的方法，該方法包括下述步驟在彈性體密封件的表面上沉積無機(jī)材料，同時在沉積過程中，離子束轟擊該表面，于是提高耐磨性。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供改進(jìn)彈性體密封件耐磨性的方法，該方法包括下述步驟使用電子束蒸發(fā)無機(jī)材料并沉積在彈性體密封件的表面上，同時在沉積過程中，離子束轟擊密封件的表面，于是提高耐磨性。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供改進(jìn)彈性體密封件耐磨性的體系，該體系包括蒸發(fā)無機(jī)材料并沉積在彈性體密封件的表面上的電子束，和在無機(jī)材料的沉積過程中，轟擊密封件的表面，于是提高耐磨性的離子束。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種彈性體密封件，該彈性體密封件包括在其上的表面無機(jī)涂層，其厚度小于5微米。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種彈性體密封件，該彈性體密封件包括在其上的表面非聚合物涂層，其厚度小于5微米。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在錠子上的旋轉(zhuǎn)元件，和在錠子與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用較硬的表面材料涂布的彈性體材料，所述較硬的表面材料是非聚合物且主要為無機(jī)材料。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在錠子上的旋轉(zhuǎn)元件，和在錠子與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用無機(jī)材料涂布的彈性體材料。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種鉆機(jī)，所述鉆機(jī)包括巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在錠子上的旋轉(zhuǎn)元件，和在錠子與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用較硬的表面材料涂布的彈性體材料，所述較硬的表面材料是非聚合物且主要為無機(jī)材料。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種鉆機(jī)，所述鉆機(jī)包括巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在錠子上的旋轉(zhuǎn)元件，和在錠子與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用無機(jī)材料涂布的彈性體材料。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種密封動態(tài)界面的方法，該方法包括使用帶有無機(jī)材料的表面涂層的彈性體密封件主體，所述無機(jī)材料的硬度大于彈性體。
根據(jù)本發(fā)明的一組公開的實(shí)施方案，提供一種鉆探的方法，該方法包括使用巖石鉆頭，所述巖石鉆頭具有帶有無機(jī)材料的表面涂層的彈性體密封件主體，所述無機(jī)材料的硬度大于彈性體。
定義 以下是本發(fā)明中使用的一些技術(shù)術(shù)語的常見含義的簡短定義(然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會意識到在上下文中是否要求不同的含義)。可在標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)字典和雜志中找到額外的定義。
使用術(shù)語“硬度”是指物質(zhì)通常通過刻痕的抗變形性。然而，該術(shù)語也可指代剛度或韌度(temper)，或者抗劃性、耐磨性或抗切割性。它是物質(zhì)的性能，當(dāng)施加負(fù)載時，這種性能使它具有抗永久變形(完全、斷裂或使其形狀變化)的能力。物質(zhì)的硬度越大，則它的抗變形性越大。
使用術(shù)語“非聚合物”描述不具有重復(fù)單元的化合物，即不是聚合物的任何化合物。
使用術(shù)語“動態(tài)密封件”描述在使密封件或匹配表面進(jìn)行移動時的環(huán)境內(nèi)使用的密封件。
使用術(shù)語“動態(tài)表面”描述在其上發(fā)生相對運(yùn)動時動態(tài)密封件的表面。
改性和改變 本領(lǐng)域的技術(shù)人員要理解，可在極大的應(yīng)用范圍內(nèi)改性和改變在本申請中描述的本發(fā)明的概念，因此本發(fā)明主體的范圍不受到所給出的任何具體例舉的教導(dǎo)限制。
在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，無機(jī)材料沉積在密封件的表面上。然而，可使用增加密封件表面的剛度或硬度的任何材料。
在各種優(yōu)選的實(shí)施方案中，鎳或鉻金屬沉積在密封件的表面上。然而，可使用任何合適的金屬。
在各種優(yōu)選的實(shí)施方案中，氮化鉻或碳化鈦沉積在密封件的表面上。然而，可使用任何合適的陶瓷。
在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過物理氣相沉積，將金屬或陶瓷材料沉積在密封件的表面上。然而，或者，但不那么優(yōu)選地，可使用任何合適的表面沉積方法，例如化學(xué)浸涂。
在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，以原子或分子形式，從固體或液體源中氣化金屬或陶瓷材料。然而，可使用生成等離子體的其它方式，例如微波或氣體的RF激發(fā)。
在目前優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過離子束輔助沉積，在密封件的表面上沉積金屬或陶瓷材料。然而，可使用任何合適的沉積方法。
盡管本申請的試驗(yàn)密封件的全部表面被涂布，但這并不總是必須的。本發(fā)明的實(shí)施方案可具有僅僅一部分被涂布的密封件表面，例如密封件的邊緣或者僅僅一側(cè)，這取決于特定的應(yīng)用要求。
本申請的說明均不應(yīng)當(dāng)被解釋為暗含任何特定的元素、步驟或功能是必須包括在權(quán)利要求范圍內(nèi)的基本元素本發(fā)明主體的范圍僅僅通過所附權(quán)利要求來定義。此外，這些權(quán)利要求無一打算引用35USC第112部分的第6段，除非確切的措辭“意味著”后緊跟一個分詞。
權(quán)利要求
1.一種密封件，其包括具有動態(tài)密封界面的彈性體主體；和沉積在該彈性體主體表面上且增加表面硬度的無機(jī)表面改性材料；于是在動態(tài)密封條件下，在動態(tài)密封界面處密封件的磨耗和摩擦特征得到改進(jìn)。
2.權(quán)利要求1的密封件，其中除了表面改性材料以外，彈性體主體是均勻的。
3.一種密封件，其包括彈性體主體；和在彈性體主體的表面上涂布并浸漬在其內(nèi)的無機(jī)材料。
4.權(quán)利要求3的密封件，其中無機(jī)涂層的厚度為0.05-5微米，和該涂層滲透彈性體主體表面不大于5納米。
5.權(quán)利要求3的密封件，其中除了無機(jī)涂層以外，彈性體主體是均勻的。
6.權(quán)利要求3的密封件，其中無機(jī)材料是金屬。
7.權(quán)利要求6的密封件，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
8.權(quán)利要求3的密封件，其中無機(jī)材料是陶瓷。
9.權(quán)利要求8的密封件，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
10.一種改性密封件表面組成的方法，該方法包括下述步驟用無機(jī)材料的離子轟擊密封件的表面，同時還用至少一種其它能量源轟擊該表面。
11.權(quán)利要求10的方法，其中該方法包括下述步驟用氬離子轟擊彈性體密封件的表面，敲打清洗該表面，之后用無機(jī)離子在密封件的表面上轟擊。
12.權(quán)利要求10的方法，其中密封件是彈性體密封件。
13.權(quán)利要求10的方法，其中密封件是在巖石鉆頭中使用的彈性體密封件。
14.一種改進(jìn)彈性體密封件的耐磨性的方法，該方法包括下述步驟在彈性體密封件的表面上沉積無機(jī)材料，同時在沉積過程中離子束轟擊該表面，進(jìn)而提高耐磨性。
15.權(quán)利要求14的方法，其中該方法包括下述步驟用氬離子轟擊彈性體密封件的表面，敲打清洗該表面，之后在密封件的表面上沉積無機(jī)材料。
16.權(quán)利要求14的方法，其中無機(jī)材料是金屬。
17.權(quán)利要求16的方法，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
18.權(quán)利要求14的方法，其中無機(jī)材料是陶瓷。
19.權(quán)利要求18的方法，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
20.通過權(quán)利要求14的方法提高的在巖石鉆頭中使用的彈性體密封件。
21.通過權(quán)利要求14的方法提高的摻入彈性體密封件的鉆頭。
22.一種改進(jìn)彈性體密封件的耐磨性的方法，該方法包括下述步驟使用電子束蒸發(fā)無機(jī)材料并沉積在彈性體密封件的表面上，同時在沉積過程中，離子束轟擊該密封件的表面，進(jìn)而提高耐磨性。
23.權(quán)利要求22的方法，其中該方法包括下述步驟用氬離子轟擊彈性體密封件的表面，敲打清洗該表面，之后在密封件的表面上沉積金屬材料。
24.權(quán)利要求22的方法，其中無機(jī)材料是金屬。
25.權(quán)利要求24的方法，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
26.權(quán)利要求22的方法，其中無機(jī)材料是陶瓷。
27.權(quán)利要求26的方法，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
28.通過權(quán)利要求22的方法提高的在巖石鉆頭中使用的彈性體密封件。
29.通過權(quán)利要求22的方法提高的摻入彈性體密封件的鉆頭。
30.改進(jìn)彈性體密封件耐磨性的體系，該體系包括蒸發(fā)無機(jī)材料并沉積在彈性體密封件的表面上的電子束，和在無機(jī)材料的沉積過程中，轟擊密封件的表面，于是提高耐磨性的離子束。
31.權(quán)利要求30的體系，進(jìn)一步包括氬離子束，所述氬離子束轟擊彈性體密封件表面，敲打清洗該表面，之后在密封件的表面上沉積金屬材料。
32.權(quán)利要求30的體系，其中無機(jī)材料是金屬。
33.權(quán)利要求32的體系，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
34.權(quán)利要求30的體系，其中無機(jī)材料是陶瓷。
35.權(quán)利要求34的體系，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
36.通過權(quán)利要求30的體系提高的在巖石鉆頭中使用的彈性體密封件。
37.通過權(quán)利要求30的體系提高的摻入彈性體密封件的鉆頭。
38.一種彈性體密封件，該彈性體密封件包括在其上的表面無機(jī)涂層，其厚度小于5微米。
39.權(quán)利要求38的密封件，其中無機(jī)涂層是金屬。
40.權(quán)利要求39的密封件，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
41.權(quán)利要求38的密封件，其中無機(jī)材料是陶瓷。
42.權(quán)利要求41的密封件，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
43.一種彈性體密封件，該彈性體密封件包括在其上的表面非聚合物涂層，其厚度小于5微米。
44.一種巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)元件，和在主軸與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用較硬的表面材料涂布的彈性體材料，所述較硬的表面材料是非聚合物且主要為無機(jī)材料。
45.一種巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)元件，和在主軸與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用無機(jī)材料涂布的彈性體材料。
46.權(quán)利要求45的鉆頭，其中使用離子束輔助沉積，在動態(tài)密封件的表面上涂布無機(jī)材料。
47.權(quán)利要求45的鉆頭，其中無機(jī)材料是金屬。
48.權(quán)利要求47的鉆頭，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
49.權(quán)利要求45的鉆頭，其中無機(jī)材料是陶瓷。
50.權(quán)利要求49的鉆頭，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
51.一種鉆機(jī)，所述鉆機(jī)包括巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)元件，和在主軸與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用較硬的表面材料涂布的彈性體材料，所述較硬的表面材料是非聚合物且主要為無機(jī)材料。
52.一種鉆機(jī)，所述鉆機(jī)包括巖石鉆頭，所述巖石鉆頭包括可旋轉(zhuǎn)地安裝在主軸上的旋轉(zhuǎn)元件，和在主軸與該元件之間的動態(tài)密封件；其中至少一種動態(tài)密封件包括用無機(jī)材料涂布的彈性體材料。
53.權(quán)利要求52的鉆機(jī)，其中無機(jī)材料是金屬。
54.權(quán)利要求53的鉆機(jī)，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
55.權(quán)利要求52的鉆機(jī)，其中無機(jī)材料是陶瓷。
56.權(quán)利要求55的鉆機(jī)，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
57.一種密封動態(tài)界面的方法，該方法包括使用帶有無機(jī)材料的表面涂層的彈性體密封件主體，所述無機(jī)材料的硬度大于彈性體。
58.權(quán)利要求57的方法，其中無機(jī)材料是金屬。
59.權(quán)利要求58的方法，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
60.權(quán)利要求57的方法，其中無機(jī)材料是陶瓷。
61.權(quán)利要求60的方法，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
62.一種鉆探的方法，該方法包括使用巖石鉆頭，所述巖石鉆頭具有帶有無機(jī)材料的表面涂層的彈性體密封件主體，所述無機(jī)材料的硬度大于彈性體。
63.權(quán)利要求62的方法，其中無機(jī)材料是金屬。
64.權(quán)利要求63的方法，其中金屬是鉻和鎳中的一種。
65.權(quán)利要求62的方法，其中無機(jī)材料是陶瓷。
66.權(quán)利要求65的方法，其中陶瓷是氮化鉻和碳化鈦中的一種。
全文摘要
在鉆頭中使用的彈性體密封件，其中在彈性體密封件的表面上沉積無機(jī)表面改性材料。借助無機(jī)原子，通過對較硬表面提供軟質(zhì)密封件表面支持，從而改進(jìn)在動態(tài)界面處密封件的耐磨性。
文檔編號C23C14/32GK1965144SQ200480038970
公開日2007年5月16日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者隋平群, 魏榮華 申請人:霍利貝頓能源服務(wù)公司