一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法
【專利摘要】本發(fā)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(qū)域設(shè)置TiN或TiAlN薄膜（3），所述薄膜（3）厚度為0.5μm-5μm；優(yōu)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(jié)合力和耐磨損性能，較低的摩擦系數(shù)。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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法。
【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)，也是近幾年的一個熱點研究領(lǐng)域。膨脹管技術(shù)是在液壓或機械力的作用下，驅(qū)動膨脹錐在膨脹管內(nèi)產(chǎn)生軸向移動，使膨脹管超過彈性極限發(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很小的問題，可用于鉆井、完井、采油、修井等作業(yè)過程。
[0003]目前國內(nèi)外所用膨脹錐為高強度鋼，膨脹管是由低碳鋼經(jīng)特殊加工而成的套管。套管的膨脹過程也就是膨脹錐表面和膨脹套管內(nèi)表面構(gòu)成的一對摩擦副的摩擦過程。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(jié)果表明，為了使套管被擴張變形，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，對膨脹維表面造成嚴(yán)重的磨粒磨損和破壞，因此在膨脹過程中對膨脹錐存在嚴(yán)重的摩擦磨損問題。膨脹管作業(yè)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(nèi)外主要以在膨脹管表面涂潤滑劑、包含潤滑劑的微膠囊涂層、在膨脹錐中附加一個機構(gòu)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(dá)500-800MPa時不能發(fā)揮作用，固體潤滑涂層在長井段的膨脹過程中存在嚴(yán)重的磨損消耗脫落失去作用等問題，導(dǎo)致膨脹錐磨損嚴(yán)重，提高了作業(yè)風(fēng)險。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)過程中存在容易脆裂的危險。本發(fā)明的目的就在于針對上述現(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(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、延長使用壽命、降低作業(yè)壓力、提高作業(yè)成功率的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，本發(fā)明在膨脹錐外表面特定位置沉積硬質(zhì)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(fā)明的另一目的在于提供所述具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐的加工方法。
[0008]為達(dá)上述目的，一方面，本發(fā)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(qū)域設(shè)置TiN或TiAlN薄膜3，所述薄膜3環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周；所述薄膜3厚度為0.5-5 μ m。
[0009]本發(fā)明優(yōu)選所述薄膜3厚度為2 μ m。
[0010]本發(fā)明優(yōu)選所述薄膜3納米硬度在20GPa_30GPa。
[0011]根據(jù)本發(fā)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(shè)置過渡層6 ；
[0012]所述的過渡層，TiN薄膜3采用Ti過渡層，TiAlN薄膜3采用TiAl過渡層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明優(yōu)選所述過渡層厚度為0.1?0.5μπι ;
[0014]其中更優(yōu)選為0.2 μ m。
[0015]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，本發(fā)明還優(yōu)選所述TiN或TiAlN薄膜3和過渡層6形狀匹配且重疊設(shè)置。
[0016]其中應(yīng)當(dāng)理解的是，所述的過渡層6與所述的薄膜3重疊設(shè)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(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，所述TiN或TiAlN薄膜3通過多弧離子鍍膜設(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0018]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，過渡層6通過多弧離子鍍膜設(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0019]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，所述的多弧離子鍍膜包括預(yù)處理、沉積及后處理，按照此過程可以獲得硬度高、膜/基結(jié)合力好的TiN或TiAlN薄膜。
[0020]根據(jù)本發(fā)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(fā)明優(yōu)選所述的TiN或TiAlN薄膜的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0022]根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，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，本發(fā)明所優(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)偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域進行轟擊清洗。
[0024]其中本發(fā)明優(yōu)選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區(qū)域；
[0025]其中本發(fā)明還優(yōu)選所述載能離子為載能氬離子。
[0026]根據(jù)本發(fā)明所述的膨脹錐，在離子清洗步驟前還包括預(yù)處理步驟:先后用丙酮和乙醇清洗膨脹錐，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)本發(fā)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(fā)明優(yōu)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(fā)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(shè)置在所述膨脹錐工作面外表面。
[0031]當(dāng)所述膨脹錐設(shè)置所述過渡層6時，通過多弧離子鍍膜設(shè)置所述過渡層6。
[0032]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，所述的多弧離子鍍膜包括預(yù)處理、沉積及后處理。
[0033]根據(jù)本發(fā)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(fā)明優(yōu)選所述的TiN或TiAlN薄膜的沉積為:弧電流60A，偏壓-100V。
[0035]根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明所述的方法，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，本發(fā)明所優(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)偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域進行轟擊清洗。
[0037]其中本發(fā)明優(yōu)選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區(qū)域；
[0038]其中本發(fā)明還優(yōu)選所述載能離子為載能氬離子。
[0039]根據(jù)本發(fā)明所述的方法，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)本發(fā)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(fā)明優(yōu)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(fā)明提供了一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐及加工方法。本發(fā)明的膨脹錐具有如下優(yōu)點:
[0044]本發(fā)明提供一種耐磨損的膨脹錐制造方法，將硬質(zhì)薄膜用于膨脹錐表面，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】

【附圖說明】
[0045]圖1為本發(fā)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(dǎo)向段；
[0046]圖2為設(shè)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(shè)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(xì)說明本發(fā)明的實施過程和產(chǎn)生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發(fā)明的實質(zhì)和特點，不作為對本案可實施范圍的限定。
[0049]實施例1
[0050]如圖1、圖2所示，在膨脹錐工作面鍍膜區(qū)域氣相沉積TiN硬質(zhì)薄膜3，薄膜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)域為包含變徑段2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，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，通過電離產(chǎn)生的載能氬離子轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域，進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。
[0054]沉積TiN薄膜: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(jié)合力(圖2)，Ti過渡層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，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薄膜后，為降低薄膜內(nèi)應(yīng)力和防止氧化，在真空室內(nèi)冷卻至室溫。
[0056]實施例2
[0057]如圖3所示，TiN硬質(zhì)薄膜3覆蓋了全部的變徑段2，沒有覆蓋定徑段4和導(dǎo)向段
5。其他同實施例1。
【權(quán)利要求】
1.一種具有TiN或TiAlN薄膜的膨脹錐，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(3)，所述薄膜(3)環(huán)繞膨脹錐設(shè)置一周；所述薄膜(3)厚度為0.5 μ m-5 μ m ;優(yōu)選所述薄膜(3)納米硬度在20GPa_30GPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膨脹錐，其特征在于，在所述TiN或TiAlN薄膜(3)和膨脹錐(I)工作面外表面之間還設(shè)置過渡層(6)，TiN薄膜(3)采用Ti過渡層，TiAlN薄膜(3)采用TiAl過渡層；優(yōu)選所述TiN或TiAlN薄膜(3)和過渡層(6)形狀匹配且重疊設(shè)置；還優(yōu)選所述過渡層(6)厚度為0.1?0.5 μ m ;更優(yōu)選為0.2 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膨脹錐，其特征在于，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(shè)置在所述膨脹錐(I)工作面外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的膨脹錐，其特征在于，所述的多弧離子鍍膜包括預(yù)處理、沉積及后處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膨脹錐，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求3所述的膨脹錐，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求6所述的膨脹錐，其特征在于，所述離子清洗步驟包括:將膨脹錐非鍍膜區(qū)域遮擋，在真空條件下通過加負(fù)偏壓的方式對轟擊膨脹錐鍍膜區(qū)域進行轟擊清洗；其中優(yōu)選用鋁箔遮擋膨脹錐非鍍膜區(qū)域；其中還優(yōu)選所述載能離子為載能氬離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的膨脹錐，其特征在于，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。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的膨脹錐，其特征在于，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(quán)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，其特征在于，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(shè)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(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, 高揚 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 清華大學(xué)